Mg-Zn-Y合金中納米共準晶半固態(tài)形成及生長機制探究一、緒論1.1研究背景與意義鎂合金作為工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一，具有眾多顯著優(yōu)勢，其密度僅約為1.74g/cm^3，約為鋁的三分之二、鋼的四分之一，卻擁有較高的比強度，比剛度與鋁合金相當，同時具備優(yōu)異的工藝性能、較好的耐腐蝕性能、良好的導熱性、減振性、電磁屏蔽性以及可回收性，被視為極具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘俨牧?，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出了顯著的輕量化效果及節(jié)能減排優(yōu)勢，應(yīng)用前景十分廣闊。比如在航空航天領(lǐng)域，使用鎂合金制造零部件可以有效減輕飛行器重量，提高飛行性能和燃油效率；在汽車工業(yè)中，鎂合金的應(yīng)用有助于實現(xiàn)汽車輕量化，降低能耗和尾氣排放。然而，鎂合金也存在一些局限性，室溫強度不高和高溫強度偏低是其主要的性能短板。當溫度超過120°C時，其強度和抗蠕變性能往往會大幅度下降，這限制了其在一些對強度和穩(wěn)定性要求較高的高溫環(huán)境中的應(yīng)用，使其難以在高溫下長時間穩(wěn)定工作，無法滿足航空航天、汽車發(fā)動機等高溫部件的使用需求。因此，開發(fā)新型高強度鎂合金，提升其綜合性能，成為了鎂合金研究領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)和重點方向。在眾多提升鎂合金性能的研究方向中，Mg-Zn-Y合金由于其獨特的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學性能，逐漸成為研究熱點。在Mg-Zn-Y合金體系中，準晶相的存在對合金性能起到了關(guān)鍵作用。準晶具有特殊的物理-化學性能，其高硬度使其特別適合作為韌性基體材料中的強化相。若能使一定尺度的準晶顆粒均勻分布在鎂基體中，就有可能制備出準晶增強的高強度鎂合金材料，從而顯著拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。研究表明，Mg-Zn-Y合金中的準晶I-Mg?Zn?Y是一種高熔點增強相，具有二十面體結(jié)構(gòu)和準周期，比晶態(tài)合金相更穩(wěn)定，與基體之間存在較強的界面關(guān)系，能夠有效釘扎晶界和位錯運動，進而提高鎂合金的高溫性能。納米共準晶在Mg-Zn-Y合金中的作用機制和形成過程仍存在許多未知。深入研究Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成及生長機制，對于理解合金的微觀結(jié)構(gòu)演變、優(yōu)化合金性能以及開發(fā)新型鎂合金材料具有重要的理論和實際意義。通過揭示納米共準晶在半固態(tài)條件下的形成機制，可以為合金成分設(shè)計和制備工藝優(yōu)化提供科學依據(jù)，實現(xiàn)對合金微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，從而提高鎂合金的強度、硬度、抗蠕變性能等關(guān)鍵性能指標，滿足航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苕V合金材料的需求，推動鎂合金材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2Mg-Zn-Y合金及準晶研究現(xiàn)狀Mg-Zn-Y合金作為一種重要的鎂合金體系，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，受到了廣泛的研究關(guān)注。在該合金體系中，Zn和Y是主要的合金化元素。Zn的加入能夠固溶強化鎂合金，提高其強度和硬度，但同時也會導致合金的結(jié)晶溫度區(qū)間增大，流動性變差，容易產(chǎn)生顯微疏松和熱裂等鑄造缺陷。而稀土元素Y的添加則能有效改善合金的鑄造性能及力學性能。Y與Mg、Zn可形成多種金屬間化合物，如Mg?YZn?（準晶I相）、Mg?Y?Zn?（W相）和Mg??YZn（LPSO-Z相）等，這些化合物在合金中起到了重要的強化作用。準晶是一種介于晶體和非晶體之間的特殊固態(tài)物質(zhì)，具有長程取向有序但沒有長程平移有序的結(jié)構(gòu)特點，這賦予了準晶許多獨特的物理化學性能。準晶具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)和良好的抗腐蝕性。在Mg-Zn-Y合金中，準晶相主要以二十面體準晶I-Mg?Zn?Y的形式存在。研究發(fā)現(xiàn)，I相傾向于在三角晶界處形成，并與α-Mg基體存在共格關(guān)系，能形成較強的原子鍵結(jié)合。這種特殊的存在形式使得準晶相能夠有效地阻止位錯滑移，對晶界產(chǎn)生釘扎作用，抑制晶粒長大，從而顯著提高合金的強度、硬度和抗蠕變性能。在Mg-Zn-Y合金的研究中，對于準晶相的形成機制，目前尚未達成完全一致的結(jié)論。部分學者認為，Mg-Zn-Y合金中的準晶相是由初生相與液相通過包晶反應(yīng)生成的；而另一些研究則表明，準晶相可以不通過包晶反應(yīng)，直接從熔體中析出。準晶相在合金中的生長形貌也受到多種因素的影響，包括合金成分、冷卻速率等。當合金凝固過程中形成的低溫相較多，凝固時間較長時，準晶相長時間熟化會導致其花瓣端部分與花瓣脫落，最終在界面能的作用下形成多邊形狀；冷卻速度越大，準晶花瓣越細小。在制備工藝方面，目前已開發(fā)出多種用于制備Mg-Zn-Y合金及調(diào)控準晶相的方法，如普通鑄造、快速凝固、粉末冶金、定向凝固等。普通鑄造方法操作簡單、成本較低，能夠獲得大體積分數(shù)的穩(wěn)定準晶，但合金的凝固組織往往較為粗大；快速凝固技術(shù)則可以使合金在極快的冷卻速度下凝固，從而細化晶粒，提高合金的性能，但該方法設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率較低；粉末冶金能夠精確控制合金成分和組織結(jié)構(gòu)，制備出高性能的鎂合金材料，但工藝復(fù)雜，成本較高；定向凝固可以使合金中的晶體單向生長，獲得具有特殊組織結(jié)構(gòu)和性能的合金，但對設(shè)備和工藝要求較高。不同的制備工藝對Mg-Zn-Y合金的微觀組織和性能有著顯著的影響，選擇合適的制備工藝對于獲得理想性能的合金至關(guān)重要。雖然Mg-Zn-Y合金及準晶的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但在納米共準晶的半固態(tài)形成及生長機制方面仍存在許多未解之謎。納米共準晶由于其尺寸效應(yīng)和特殊的結(jié)構(gòu)，可能會展現(xiàn)出與傳統(tǒng)準晶不同的性能和作用機制。深入研究納米共準晶在半固態(tài)條件下的形成及生長機制，對于進一步優(yōu)化Mg-Zn-Y合金的性能，開發(fā)新型高性能鎂合金材料具有重要的理論和實際意義。1.3半固態(tài)加工技術(shù)概述半固態(tài)加工技術(shù)起源于20世紀70年代，美國麻省理工學院的Flemings教授等在研究中發(fā)現(xiàn)，在金屬凝固過程中對其施以劇烈攪拌，可使初生固相破碎并形成球狀或近球狀結(jié)構(gòu)，這種處于固液混合狀態(tài)（半固態(tài)）的金屬具有獨特的流變特性和觸變行為，由此發(fā)展出了半固態(tài)加工技術(shù)。半固態(tài)加工技術(shù)是指金屬在凝固過程中，通過特定方式使其基體組織形成近球狀微細組織，得到一種液體金屬母液中均勻懸浮著一定固相組分的固液混合漿料。當固相組分達到一定比例（通常為50%左右）時，該漿料仍具有良好的流變特性，可利用傳統(tǒng)的鑄造和壓力加工工藝進行成形。根據(jù)加工方式的不同，半固態(tài)加工主要分為流變成形和觸變成形。流變成形是將半固態(tài)漿料直接進行成形加工；觸變成形則是先將流變漿料凝固成錠，再按需求切成一定大小，重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)后進行成形加工。半固態(tài)加工技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造相比，半固態(tài)加工時金屬漿料的流動性較低，充型過程平穩(wěn)，能夠有效減少卷氣和氧化夾雜等缺陷，同時，由于凝固收縮小，鑄件的尺寸精度更高，而且，模具在半固態(tài)加工過程中受到的熱沖擊較小，使用壽命得以延長。與固態(tài)鍛造相比，半固態(tài)金屬具有“剪切變稀”的觸變行為，在成形時所需的變形力較小，能夠降低設(shè)備噸位和能耗，并且可以一次近凈成形復(fù)雜形狀的零件，減少后續(xù)加工工序，提高生產(chǎn)效率。此外，半固態(tài)加工還能夠改善材料的微觀組織，使晶粒細化，提高材料的力學性能。在汽車工業(yè)中，采用半固態(tài)加工技術(shù)制造的鋁合金汽車零部件，如發(fā)動機缸體、缸蓋等，不僅質(zhì)量減輕，而且力學性能得到顯著提升；在航空航天領(lǐng)域，半固態(tài)加工技術(shù)被用于制造高強度、輕量化的金屬構(gòu)件，滿足了航空航天器對材料高性能的要求。在Mg-Zn-Y合金的研究中，半固態(tài)加工技術(shù)為調(diào)控合金的微觀組織和性能提供了新的途徑。通過半固態(tài)加工，可以使Mg-Zn-Y合金中的準晶相均勻分布，細化晶粒，從而提高合金的強度、硬度和抗蠕變性能。有研究采用半固態(tài)觸變成形工藝制備Mg-Zn-Y合金，發(fā)現(xiàn)合金中的準晶相呈細小顆粒狀均勻分布在基體中，合金的室溫抗拉強度和屈服強度分別提高了20%和30%。然而，目前半固態(tài)加工技術(shù)在Mg-Zn-Y合金中的應(yīng)用仍面臨一些問題。半固態(tài)漿料的制備工藝較為復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。半固態(tài)加工過程中的工藝參數(shù)（如溫度、變形速率等）對合金的微觀組織和性能影響較大，難以精確控制，容易導致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，對于Mg-Zn-Y合金在半固態(tài)條件下的凝固行為和組織演變機制，目前的研究還不夠深入，需要進一步加強基礎(chǔ)研究，為半固態(tài)加工工藝的優(yōu)化提供理論支持。1.4研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探究Mg-Zn-Y合金中納米共準晶在半固態(tài)條件下的形成及生長機制，揭示其微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，為開發(fā)高性能鎂合金材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成機制研究：通過設(shè)計不同成分的Mg-Zn-Y合金，利用熱力學計算軟件（如Factsage）結(jié)合實驗，分析合金成分對納米共準晶形成的影響。研究在半固態(tài)凝固過程中，合金元素的擴散行為、原子團簇的形成與演變，以及它們與納米共準晶形核的關(guān)系。借助高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀分析手段，觀察納米共準晶的形核位置、形核方式以及與基體的界面關(guān)系，揭示納米共準晶在半固態(tài)下的形核機制。Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的生長機制研究：采用定向凝固、電磁攪拌等方法制備具有不同微觀組織的Mg-Zn-Y合金半固態(tài)坯料，研究在不同工藝條件下納米共準晶的生長行為。通過熱模擬實驗，結(jié)合金相分析和電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)，分析溫度、應(yīng)變速率等因素對納米共準晶生長速率、生長方向和生長形態(tài)的影響。建立納米共準晶生長的數(shù)學模型，從理論上闡述其生長機制，為控制納米共準晶的生長提供理論指導。半固態(tài)加工工藝對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶及合金性能的影響研究：研究半固態(tài)流變成形和觸變成形工藝參數(shù)（如半固態(tài)漿料的制備溫度、時間，成形溫度、壓力、應(yīng)變速率等）對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的分布、尺寸和形態(tài)的影響。通過拉伸試驗、硬度測試、沖擊試驗和高溫蠕變試驗等力學性能測試方法，分析納米共準晶的存在對合金室溫及高溫力學性能的影響規(guī)律。結(jié)合微觀組織觀察，揭示半固態(tài)加工工藝、納米共準晶與合金性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為優(yōu)化半固態(tài)加工工藝，提高Mg-Zn-Y合金性能提供技術(shù)支持。二、實驗材料與方法2.1實驗材料選擇本研究選用Mg-Zn-Y合金作為研究對象，依據(jù)相關(guān)文獻及前期研究成果，確定合金的成分設(shè)計。在Mg-Zn-Y合金體系中，Zn和Y的含量對合金的組織和性能有著關(guān)鍵影響。適量的Zn可固溶強化鎂合金，提高其強度和硬度，但含量過高會導致結(jié)晶溫度區(qū)間增大，易產(chǎn)生鑄造缺陷；Y與Mg、Zn形成的多種金屬間化合物，如Mg?YZn?（準晶I相）、Mg?Y?Zn?（W相）和Mg??YZn（LPSO-Z相）等，對合金起到強化作用。為了研究納米共準晶在半固態(tài)條件下的形成及生長機制，設(shè)計了三種不同成分的Mg-Zn-Y合金，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）如表1所示：[此處插入表格1：Mg-Zn-Y合金化學成分][此處插入表格1：Mg-Zn-Y合金化學成分]實驗所用原材料為純度99.9%的純Mg錠、99.9%的純Zn錠以及Mg-25Y（質(zhì)量分數(shù)，%）中間合金。這些原材料采購自具有良好信譽和產(chǎn)品質(zhì)量保障的正規(guī)金屬材料供應(yīng)商，以確保原材料的純度和質(zhì)量符合實驗要求。在實驗前，對原材料進行預(yù)處理，以去除表面的氧化物和雜質(zhì)，保證合金熔煉的質(zhì)量。將純Mg錠和純Zn錠用砂紙仔細打磨，去除表面的氧化層，直至露出金屬光澤；Mg-25Y中間合金則先進行切割，使其尺寸便于加入熔煉爐，然后同樣用砂紙打磨表面。經(jīng)過預(yù)處理的原材料放置在干燥、清潔的環(huán)境中，防止再次氧化和污染，等待后續(xù)的熔煉實驗。2.2半固態(tài)處理工藝本實驗采用電阻爐作為半固態(tài)加熱設(shè)備。電阻爐具有加熱速度快、溫度控制精度高、操作簡便等優(yōu)點，能夠滿足實驗對溫度控制的要求。該電阻爐的工作溫度范圍為室溫至1200°C，最高加熱速率可達20°C/min，溫度控制精度為±1°C，能夠為合金的半固態(tài)加熱提供穩(wěn)定、精確的溫度環(huán)境。在使用電阻爐進行加熱前，需要對其進行校準和調(diào)試，確保溫度控制系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。通過將標準熱電偶放入電阻爐內(nèi)，與爐內(nèi)的溫度傳感器進行對比，對溫度控制系統(tǒng)進行校準，以保證加熱過程中溫度的精確控制。加熱過程中，溫度和時間的控制至關(guān)重要。采用智能溫控儀表來實現(xiàn)對溫度和時間的精確控制。該溫控儀表具有可編程功能，能夠根據(jù)實驗需求設(shè)置不同的升溫速率、保溫溫度和保溫時間。在加熱初期，以10°C/min的升溫速率將合金加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間。選擇這一升溫速率是為了在保證加熱效率的同時，避免因升溫過快導致合金內(nèi)部產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，影響合金的組織和性能。當溫度達到半固態(tài)溫度區(qū)間下限（約580°C）時，降低升溫速率至5°C/min，緩慢升溫至設(shè)定的保溫溫度（620°C）。采用較慢的升溫速率接近保溫溫度，是為了使合金內(nèi)部溫度均勻分布，確保后續(xù)保溫過程中合金組織的均勻轉(zhuǎn)變。到達保溫溫度后，保溫時間設(shè)定為30min。這一保溫時間是通過前期預(yù)實驗確定的，能夠使合金充分達到半固態(tài)狀態(tài)，保證實驗結(jié)果的準確性和可靠性。保溫時間過短，合金可能無法完全達到半固態(tài)狀態(tài)，影響實驗結(jié)果；保溫時間過長，則可能導致晶粒長大，同樣對合金性能產(chǎn)生不利影響。在半固態(tài)處理過程中，保溫與冷卻方式也會對合金的微觀組織和性能產(chǎn)生顯著影響。保溫階段，采用電阻爐的內(nèi)置保溫材料進行保溫，確保爐內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定。這種保溫方式能夠有效減少熱量散失，維持合金在半固態(tài)溫度區(qū)間的穩(wěn)定性。冷卻方式采用隨爐冷卻和空冷兩種方式。隨爐冷卻時，關(guān)閉電阻爐電源，讓合金在爐內(nèi)自然冷卻，冷卻速率約為5°C/min。這種冷卻方式能夠使合金緩慢冷卻，組織轉(zhuǎn)變較為充分，有利于研究合金在緩慢冷卻條件下的組織演變規(guī)律。空冷時，將保溫后的合金迅速從電阻爐中取出，放置在空氣中自然冷卻，冷卻速率約為20°C/min。空冷方式能夠模擬實際生產(chǎn)中的快速冷卻過程，研究快速冷卻對合金組織和性能的影響。不同的冷卻速率會導致合金內(nèi)部的原子擴散和相變過程不同，從而影響納米共準晶的形成和生長，以及合金的最終性能。通過對比隨爐冷卻和空冷兩種方式下合金的微觀組織和性能，能夠深入了解冷卻方式對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶及合金性能的影響。2.3微觀組織分析方法采用金相顯微鏡（OM）對Mg-Zn-Y合金的宏觀組織和晶粒形態(tài)進行觀察。在觀察前，需對合金樣品進行嚴格的金相制樣處理。首先，使用線切割設(shè)備將合金樣品切割成合適大小的薄片，一般尺寸為10mm×10mm×2mm左右，以方便后續(xù)的磨拋操作。然后，將切割好的樣品依次在不同粒度的砂紙（如80目、240目、400目、600目、800目、1000目、1200目）上進行粗磨和細磨，通過不斷更換砂紙，逐漸減小樣品表面的劃痕深度，使表面粗糙度降低。在磨制過程中，需注意保持樣品的平整度和垂直度，同時使用適量的水作為冷卻劑和潤滑劑，防止樣品過熱導致組織變化。接著，將磨好的樣品進行拋光處理，使用拋光機和拋光布，搭配金剛石拋光膏或氧化鋁拋光液，對樣品表面進行精細拋光，直至表面呈現(xiàn)鏡面光澤，無明顯劃痕。拋光后的樣品采用4%硝酸酒精溶液進行侵蝕，侵蝕時間根據(jù)合金成分和組織特點進行調(diào)整，一般為10-30秒。通過侵蝕，能夠使合金中的不同相和晶界在金相顯微鏡下呈現(xiàn)出不同的對比度，從而清晰地觀察到合金的宏觀組織和晶粒形態(tài)。金相顯微鏡能夠直觀地觀察到合金的晶粒大小、形狀、分布以及晶界的特征，為后續(xù)的微觀組織分析提供基礎(chǔ)信息。掃描電子顯微鏡（SEM）配備能譜分析儀（EDS），用于觀察合金的微觀組織形貌，并對合金中的相進行成分分析。在使用SEM觀察前，需對樣品進行清洗和干燥處理，以去除表面的雜質(zhì)和水分。將樣品固定在樣品臺上，放入SEM的真空腔中，通過電子槍發(fā)射電子束，電子束與樣品表面相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號。二次電子信號主要用于觀察樣品的表面形貌，能夠清晰地顯示出合金中不同相的形狀、尺寸和分布情況；背散射電子信號則對原子序數(shù)較為敏感，可用于區(qū)分不同成分的相。EDS通過檢測樣品中元素的特征X射線，來確定合金中各元素的種類和含量。在進行成分分析時，選擇合適的分析區(qū)域，如不同相的內(nèi)部或相界處，進行點分析、線分析或面分析，以獲取準確的成分信息。通過SEM和EDS的結(jié)合分析，能夠深入了解合金中納米共準晶與其他相的分布關(guān)系以及成分差異。利用透射電子顯微鏡（TEM）對納米共準晶的晶體結(jié)構(gòu)、位錯組態(tài)以及與基體的界面結(jié)構(gòu)進行分析。制備TEM樣品時，首先將合金樣品切割成厚度約為0.3mm的薄片，然后使用機械減薄設(shè)備將薄片減薄至約0.05mm。接著，采用離子減薄或雙噴電解減薄的方法，將樣品進一步減薄至電子束能夠穿透的厚度（通常小于100nm）。在離子減薄過程中，使用氬離子束從樣品的兩側(cè)進行轟擊，逐漸去除樣品表面的物質(zhì)，達到減薄的目的；雙噴電解減薄則是在特定的電解液中，通過電解作用使樣品表面的金屬溶解，實現(xiàn)減薄。將制備好的TEM樣品放入透射電子顯微鏡中，通過電子束穿透樣品，與樣品中的原子相互作用，產(chǎn)生衍射花樣和圖像。通過分析衍射花樣，可以確定納米共準晶的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)；觀察高分辨透射電鏡圖像，能夠清晰地看到納米共準晶的位錯組態(tài)以及與基體的界面結(jié)構(gòu)，如界面的原子排列方式、界面能等。TEM分析能夠提供關(guān)于納米共準晶微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率信息，對于深入理解其形成和生長機制具有重要意義。采用X射線衍射儀（XRD）對合金中的物相進行分析，確定合金中存在的相種類。在進行XRD測試時，將合金樣品表面打磨平整，去除表面的氧化層和雜質(zhì)。將樣品放置在XRD的樣品臺上，使用Cu靶作為X射線源，在一定的掃描角度范圍（如20°-90°）內(nèi)，以一定的掃描速度（如0.02°/s）進行掃描。X射線與樣品中的晶體相互作用，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，不同的相由于其晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的不同，會在特定的角度產(chǎn)生衍射峰。通過與標準衍射卡片進行對比，分析衍射峰的位置、強度和寬度等信息，從而確定合金中存在的相種類。XRD分析能夠快速、準確地鑒定合金中的物相，為研究納米共準晶的形成和轉(zhuǎn)變提供重要依據(jù)。2.4熱分析技術(shù)應(yīng)用差示掃描量熱儀（DSC）在研究合金熱特性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠在程序控溫條件下，精確測量物質(zhì)與參比物之間的能量差隨溫度的變化關(guān)系。本研究采用美國TA儀器公司生產(chǎn)的Q100型差示掃描量熱儀，該儀器的溫度范圍為-90°C～550°C（壓縮機制冷），溫度準確度可達±0.1°C，溫度精度為±0.01°C，量熱精度（基于標準金屬）為±1%，最大量熱靈敏達到0.2μW，基線彎曲（-50°C～300°C）為10μW，基線重現(xiàn)性為10μW，動態(tài)范圍為+/-500mW，線性升溫速率范圍為0.01～200°C/min。在實驗過程中，嚴格控制實驗參數(shù)以確保結(jié)果的準確性和可靠性。升溫速率設(shè)定為10°C/min，選擇這一升溫速率是綜合考慮了實驗效率和熱分析的準確性。升溫速率過快可能導致合金內(nèi)部的熱效應(yīng)來不及充分展現(xiàn)，使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差；升溫速率過慢則會延長實驗時間，降低實驗效率。溫度范圍設(shè)定為室溫至650°C，這一范圍能夠涵蓋Mg-Zn-Y合金從室溫到半固態(tài)再到液態(tài)的整個熱轉(zhuǎn)變過程，包括合金的熔化、凝固、相變等熱效應(yīng)。在測量過程中，以α-Al?O?作為參比物，α-Al?O?具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，在實驗溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變和化學反應(yīng)，能夠為合金的熱分析提供穩(wěn)定的參考基準。將約5mg的合金樣品精確稱取后，放入鋁制坩堝中，鋁制坩堝具有良好的導熱性，能夠使樣品快速均勻地受熱，減少溫度梯度對實驗結(jié)果的影響。將裝有樣品的坩堝和參比物坩堝同時放入DSC儀器的樣品池中，在氮氣氣氛保護下進行測試。氮氣作為惰性氣體，能夠有效防止合金樣品在加熱過程中發(fā)生氧化，保證實驗結(jié)果的真實性。通過DSC分析，能夠獲得合金的熱流-溫度曲線。該曲線包含了豐富的信息，如合金的熔點、凝固點、相變溫度以及相變過程中的熱焓變化等。根據(jù)熱流-溫度曲線，能夠確定合金中不同相的形成和轉(zhuǎn)變溫度，分析合金在加熱和冷卻過程中的熱效應(yīng)。在加熱過程中，當合金發(fā)生熔化時，會吸收熱量，在熱流-溫度曲線上表現(xiàn)為吸熱峰；當合金發(fā)生相變時，也會伴隨著熱量的吸收或釋放，從而在曲線上形成相應(yīng)的峰或谷。通過對這些熱效應(yīng)的分析，可以深入了解Mg-Zn-Y合金中納米共準晶在半固態(tài)形成及生長過程中的熱力學行為，為研究其形成及生長機制提供重要的熱力學數(shù)據(jù)支持。三、Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成機制3.1凝固過程中的相轉(zhuǎn)變Mg-Zn-Y合金在凝固過程中，其相轉(zhuǎn)變是一個復(fù)雜且有序的過程，涉及到初生相、液相以及準晶相之間的相互轉(zhuǎn)化。在高溫液態(tài)時，合金處于均勻的液相狀態(tài)，隨著溫度的逐漸降低，當達到一定的過冷度時，凝固過程開始啟動。在Mg-Zn-Y合金體系中，根據(jù)相圖分析以及相關(guān)熱力學原理，首先從液相中析出的初生相通常為α-Mg相。這是因為在該合金體系中，Mg作為基體元素，其含量相對較高，在凝固初期，原子的擴散和排列更容易形成α-Mg相的晶體結(jié)構(gòu)。α-Mg相具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)相對簡單，原子排列較為緊密。在凝固過程中，原子會圍繞著一些微小的晶核逐漸聚集并規(guī)則排列，形成α-Mg相的晶粒。這些晶核可以是合金液中的雜質(zhì)顆粒、外來的異質(zhì)晶核，或者是在液態(tài)合金中由于原子的熱運動而偶然形成的微小原子團簇。隨著溫度的進一步降低，α-Mg相的晶粒會不斷長大，通過原子在液相中的擴散，不斷地從液相中獲取原子，使自身的體積和尺寸逐漸增大。隨著α-Mg相的不斷析出，液相中的成分逐漸發(fā)生變化，Zn和Y等合金元素在液相中的濃度逐漸升高。當溫度降低到一定程度時，達到了包晶反應(yīng)的溫度條件，此時會發(fā)生包晶反應(yīng)。在Mg-Zn-Y合金中，包晶反應(yīng)的過程為：液相與已析出的初生α-Mg相發(fā)生反應(yīng)，生成準晶相。具體反應(yīng)式可表示為：L+α-Mg→I-Mg?Zn?Y（準晶相）。這一反應(yīng)的發(fā)生是由于在該溫度和成分條件下，生成準晶相的吉布斯自由能變化小于其他可能的反應(yīng)路徑，使得反應(yīng)朝著生成準晶相的方向進行。從熱力學角度來看，包晶反應(yīng)的驅(qū)動力來源于系統(tǒng)的自由能降低。在包晶反應(yīng)過程中，液相中的Zn和Y原子與α-Mg相中的Mg原子相互作用，通過原子的擴散和重新排列，形成了具有特殊結(jié)構(gòu)的準晶相。準晶相具有長程取向有序但無長程平移有序的結(jié)構(gòu)特點，其原子排列方式與傳統(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)不同，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了準晶相許多獨特的物理化學性能。在包晶反應(yīng)進行的過程中，反應(yīng)界面的移動和原子的擴散起著關(guān)鍵作用。液相中的原子需要克服一定的擴散阻力，才能遷移到反應(yīng)界面處與α-Mg相發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)界面的移動速度受到多種因素的影響，如溫度、合金成分、原子擴散系數(shù)等。溫度越高，原子的擴散能力越強，反應(yīng)界面的移動速度也就越快，包晶反應(yīng)進行得也就越迅速；合金成分的不同會影響原子間的相互作用和擴散系數(shù)，從而對包晶反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的形態(tài)產(chǎn)生影響。當Zn和Y的含量較高時，包晶反應(yīng)可能更容易發(fā)生，生成的準晶相數(shù)量也可能相對較多。此外，反應(yīng)界面的形態(tài)也會對包晶反應(yīng)產(chǎn)生影響。如果反應(yīng)界面較為平整，原子的擴散路徑相對較短，反應(yīng)進行得較為均勻；而如果反應(yīng)界面存在起伏或缺陷，可能會導致原子擴散的不均勻性，進而影響準晶相的生長形態(tài)和分布。包晶反應(yīng)完成后，合金中主要存在α-Mg相和準晶相。在后續(xù)的冷卻過程中，剩余的液相可能會繼續(xù)發(fā)生其他反應(yīng)，如共晶反應(yīng)，形成共晶組織。共晶反應(yīng)是指在一定溫度下，液相同時凝固成兩種或兩種以上的固相的反應(yīng)。在Mg-Zn-Y合金中，可能會發(fā)生液相同時凝固成α-Mg相和其他金屬間化合物相的共晶反應(yīng)。隨著溫度的進一步降低，合金逐漸凝固完全，最終形成由α-Mg相、準晶相以及其他可能的金屬間化合物相組成的復(fù)雜微觀組織。這種微觀組織的形成與合金的凝固過程密切相關(guān)，不同相的形態(tài)、尺寸和分布會對合金的性能產(chǎn)生重要影響。3.2半固態(tài)等溫處理的影響半固態(tài)等溫處理是調(diào)控Mg-Zn-Y合金微觀組織和性能的重要手段，其中溫度和時間是兩個關(guān)鍵的影響因素，對納米共準晶的形成起著至關(guān)重要的作用，其背后涉及復(fù)雜的物理機制。等溫處理溫度對Mg-Zn-Y合金的微觀組織演變有著顯著影響。在較低的等溫溫度下，原子的擴散能力相對較弱，合金中的元素擴散速度較慢，這使得納米共準晶的形核和生長受到一定限制。此時，由于原子遷移困難，晶核的形成數(shù)量相對較少，且生長速度緩慢，導致納米共準晶的尺寸較小，分布也不夠均勻。隨著等溫溫度的升高，原子的擴散能力增強，合金元素在液相和固相間的擴散速率加快。這為納米共準晶的形核提供了更有利的條件，使得形核數(shù)量增加。較高的溫度還能夠促進原子的遷移和重排，有利于納米共準晶的生長，使其尺寸逐漸增大。然而，當?shù)葴販囟冗^高時，會出現(xiàn)一些負面效應(yīng)。過高的溫度可能導致晶粒的異常長大，使得合金的晶粒尺寸分布不均勻，這不僅會影響合金的強度和塑性等力學性能，還可能破壞納米共準晶與基體之間的界面穩(wěn)定性。過高的溫度還可能引發(fā)其他相的溶解或轉(zhuǎn)變，改變合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)，進而影響納米共準晶的形成和分布。等溫處理時間也是影響納米共準晶形成的重要因素。在等溫處理初期，隨著時間的延長，原子有更多的時間進行擴散和重排，納米共準晶的形核和生長過程得以充分進行。形核數(shù)量逐漸增加，已形成的晶核不斷吸收周圍的原子而長大，使得納米共準晶的尺寸逐漸增大，數(shù)量增多。然而，當?shù)葴貢r間達到一定程度后，納米共準晶的生長速率會逐漸減緩。這是因為隨著納米共準晶的不斷生長，其周圍的合金元素濃度逐漸降低，原子擴散的驅(qū)動力減小，導致生長速率下降。如果繼續(xù)延長等溫時間，可能會出現(xiàn)納米共準晶的粗化現(xiàn)象。長時間的等溫處理會使小尺寸的納米共準晶逐漸溶解，而大尺寸的納米共準晶則繼續(xù)長大，導致納米共準晶的尺寸分布變得不均勻，平均尺寸增大。這種粗化現(xiàn)象會降低納米共準晶的強化效果，對合金的性能產(chǎn)生不利影響。從原子擴散和界面能的角度來看，納米共準晶的形成和生長過程涉及到原子在液相和固相間的擴散以及相界面的移動。在半固態(tài)等溫處理過程中，液相中的合金元素（如Zn和Y）需要擴散到納米共準晶的生長界面，參與其生長過程。原子的擴散速率與溫度密切相關(guān)，溫度越高，原子的擴散系數(shù)越大，擴散速率越快，這有利于納米共準晶的快速生長。相界面的移動也受到界面能的影響。納米共準晶與基體之間的界面能較低，有利于其形核和生長。在等溫處理過程中，界面能的變化會影響納米共準晶的生長形態(tài)和生長方向。當界面能較低時，納米共準晶傾向于以較為規(guī)則的形狀生長，如球狀或近球狀；而當界面能較高時，納米共準晶可能會出現(xiàn)不規(guī)則的生長形態(tài)，甚至出現(xiàn)枝晶狀生長。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)合金的成分和所需的性能，精確控制半固態(tài)等溫處理的溫度和時間。對于一些對強度和硬度要求較高的Mg-Zn-Y合金，需要適當提高等溫溫度和延長等溫時間，以獲得尺寸較大、數(shù)量較多的納米共準晶，從而提高合金的強化效果。但要注意避免溫度過高和時間過長導致的晶粒長大和納米共準晶粗化等問題。而對于一些對塑性和韌性要求較高的合金，則可能需要選擇較低的等溫溫度和較短的等溫時間，以保證納米共準晶的均勻分布和較小的尺寸，從而提高合金的塑性和韌性。3.3案例分析：典型Mg-Zn-Y合金的半固態(tài)形成過程為了更直觀地驗證和解釋上述Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成機制，選取成分（質(zhì)量分數(shù)）為Mg-6Zn-2Y的合金作為典型案例，深入研究其在半固態(tài)處理過程中的微觀組織變化。在合金凝固初期，通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，液相中首先析出的是α-Mg相。α-Mg相呈樹枝狀生長，其生長方向與熱流方向相反。隨著凝固的進行，α-Mg相的樹枝晶不斷長大，液相中的Zn和Y元素逐漸被排擠到枝晶間的液相中，使得枝晶間液相中的Zn和Y濃度逐漸升高。這一現(xiàn)象與前文所述的凝固過程中初生相的析出規(guī)律一致，即由于Mg作為基體元素含量較高，在凝固初期優(yōu)先析出α-Mg相，且其生長過程伴隨著合金元素的重新分配。當溫度降低到包晶反應(yīng)溫度時，發(fā)生包晶反應(yīng)：L+α-Mg→I-Mg?Zn?Y（準晶相）。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在α-Mg相的枝晶間出現(xiàn)了花瓣狀或多邊形的準晶相。這些準晶相尺寸較小，平均尺寸約為50-100nm，呈現(xiàn)出納米級別的特征。能譜分析（EDS）結(jié)果表明，準晶相的成分接近Mg?Zn?Y，與理論成分相符。進一步利用透射電子顯微鏡（TEM）對納米共準晶進行分析，發(fā)現(xiàn)其具有典型的二十面體準晶結(jié)構(gòu)，存在五次對稱軸，晶格參數(shù)與文獻報道一致。這一結(jié)果驗證了包晶反應(yīng)在納米共準晶形成過程中的重要作用，即通過包晶反應(yīng)，液相與α-Mg相反應(yīng)生成了具有特殊結(jié)構(gòu)和成分的納米共準晶。對該合金進行半固態(tài)等溫處理，設(shè)置等溫溫度為620°C，保溫時間分別為10min、20min和30min。金相顯微鏡觀察結(jié)果顯示，隨著保溫時間的延長，α-Mg相的晶粒逐漸長大，晶粒尺寸從保溫10min時的平均約20μm增大到保溫30min時的平均約30μm。同時，納米共準晶的數(shù)量和尺寸也發(fā)生了變化。在保溫10min時，納米共準晶數(shù)量較少，尺寸較小，平均尺寸約為50nm；隨著保溫時間延長到20min，納米共準晶數(shù)量有所增加，尺寸也略有增大，平均尺寸約為70nm；當保溫時間達到30min時，納米共準晶數(shù)量進一步增加，尺寸繼續(xù)增大，平均尺寸約為90nm。這一變化趨勢與前文所述的半固態(tài)等溫處理對納米共準晶形成的影響機制一致，即隨著保溫時間的延長，原子擴散和重排的時間增加，有利于納米共準晶的形核和生長，使其數(shù)量增多，尺寸增大。從TEM分析結(jié)果可以看出，在半固態(tài)等溫處理過程中，納米共準晶與α-Mg基體之間始終保持著共格關(guān)系。共格界面的存在使得納米共準晶能夠有效地釘扎晶界，抑制α-Mg相晶粒的長大。當納米共準晶數(shù)量較少時，對晶界的釘扎作用相對較弱，α-Mg相晶粒能夠較快地長大；隨著納米共準晶數(shù)量的增加，對晶界的釘扎作用增強，α-Mg相晶粒的長大速度減緩。這一現(xiàn)象進一步說明了納米共準晶在半固態(tài)條件下對合金微觀組織演變的重要影響，即通過與基體的共格關(guān)系和對晶界的釘扎作用，調(diào)控合金的晶粒生長和微觀結(jié)構(gòu)。通過對Mg-6Zn-2Y合金半固態(tài)形成過程的案例分析，直觀地展示了合金在凝固過程中的相轉(zhuǎn)變以及半固態(tài)等溫處理對納米共準晶形成的影響，驗證了前文所述的Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成機制，為深入理解合金的微觀結(jié)構(gòu)演變提供了有力的實驗依據(jù)。四、Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)生長機制4.1生長驅(qū)動力與界面遷移納米共準晶在Mg-Zn-Y合金半固態(tài)生長過程中，其生長驅(qū)動力主要源于體系自由能的降低。在半固態(tài)條件下，合金處于固液共存狀態(tài)，液相中的原子具有較高的能量，而納米共準晶的形成是原子從高能量的液相向低能量的準晶相轉(zhuǎn)移的過程，這一過程伴隨著體系自由能的降低。從熱力學角度來看，體系總是傾向于朝著自由能降低的方向進行轉(zhuǎn)變，因此，自由能的降低為納米共準晶的生長提供了內(nèi)在的驅(qū)動力。在Mg-Zn-Y合金中，當溫度降低到一定程度時，合金液中的Zn、Y等合金元素會逐漸聚集形成原子團簇。這些原子團簇具有一定的結(jié)構(gòu)和成分特征，當它們的尺寸達到一定臨界值時，就會成為納米共準晶的晶核。隨著原子的不斷擴散和加入，晶核逐漸長大，形成納米共準晶。這一過程中，原子從液相中脫離并排列到準晶相的晶格結(jié)構(gòu)中，使得體系的自由能降低。納米共準晶與α-Mg基體之間存在著一定的界面能，界面能的存在也會對納米共準晶的生長產(chǎn)生影響。在生長過程中，納米共準晶會盡量調(diào)整其生長形態(tài)和方向，以降低界面能，使體系達到更穩(wěn)定的狀態(tài)。當納米共準晶與α-Mg基體形成共格界面時，由于共格界面能較低，有利于納米共準晶的生長，此時納米共準晶會沿著與基體共格的方向優(yōu)先生長。界面遷移是納米共準晶生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它涉及到原子在界面處的擴散和重新排列。在半固態(tài)條件下，納米共準晶與液相之間存在著一個動態(tài)的界面。隨著納米共準晶的生長，界面不斷向液相中推進。界面遷移的速度受到多種因素的制約，其中原子擴散系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。原子擴散系數(shù)與溫度密切相關(guān)，溫度越高，原子的熱運動越劇烈，擴散系數(shù)越大，原子在界面處的擴散速度也就越快，從而使得界面遷移速度加快，納米共準晶的生長速率提高。合金成分也會對原子擴散系數(shù)產(chǎn)生影響。不同的合金元素在Mg基體中的擴散能力不同，Zn和Y等元素在Mg中的擴散系數(shù)相對較小，這會在一定程度上限制原子在界面處的擴散速度，進而影響納米共準晶的生長速率。界面的穩(wěn)定性也會影響界面遷移。如果界面能夠保持相對穩(wěn)定，原子在界面處的擴散就能夠較為有序地進行，有利于納米共準晶的正常生長。而當界面受到外界因素的干擾，如溫度波動、攪拌等，可能會導致界面的不穩(wěn)定，使原子擴散出現(xiàn)不均勻性，從而影響納米共準晶的生長形態(tài)。在攪拌條件下，半固態(tài)漿料中的流場會發(fā)生變化，可能會對納米共準晶與液相之間的界面產(chǎn)生剪切力，導致界面的變形和不穩(wěn)定，進而影響納米共準晶的生長方向和形態(tài)。從微觀角度來看，界面遷移過程中原子的擴散機制主要包括空位擴散和間隙擴散。在Mg-Zn-Y合金中，由于Mg原子半徑較大，Zn和Y等合金元素原子半徑相對較小，因此Zn和Y原子更容易通過間隙擴散的方式在Mg基體中擴散。在納米共準晶生長過程中，液相中的Zn和Y原子通過間隙擴散遷移到納米共準晶與液相的界面處，然后進入納米共準晶的晶格結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)納米共準晶的生長。而Mg原子則主要通過空位擴散的方式進行擴散。在高溫下，Mg晶格中會產(chǎn)生一定數(shù)量的空位，Mg原子可以通過與空位交換位置的方式實現(xiàn)擴散。在納米共準晶生長界面處，Mg原子通過空位擴散離開界面，為納米共準晶的生長提供空間。4.2生長形態(tài)與晶體學特征在Mg-Zn-Y合金半固態(tài)生長過程中，納米共準晶呈現(xiàn)出獨特的生長形態(tài)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，納米共準晶通常呈現(xiàn)出花瓣狀或多邊形的形貌。在凝固初期，納米共準晶以細小的顆粒狀形核，隨著生長的進行，逐漸發(fā)育成花瓣狀結(jié)構(gòu)?；ò隊畹募{米共準晶由多個從中心向外輻射的瓣狀結(jié)構(gòu)組成，每個瓣狀結(jié)構(gòu)的生長方向具有一定的規(guī)律性。在某些情況下，由于生長條件的影響，納米共準晶也會呈現(xiàn)出多邊形的形態(tài)，多邊形的納米共準晶邊界較為規(guī)則，其邊長和角度具有一定的對稱性。這種生長形態(tài)的多樣性與納米共準晶的生長環(huán)境和晶體學特征密切相關(guān)。從晶體學角度分析，納米共準晶具有二十面體準晶結(jié)構(gòu)，存在五次對稱軸，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)晶體的重要特征。利用透射電子顯微鏡（TEM）進行選區(qū)電子衍射分析，能夠清晰地觀察到納米共準晶的衍射花樣呈現(xiàn)出五次對稱的特征。這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)決定了納米共準晶在生長過程中的原子排列方式和生長方向。由于存在五次對稱軸，納米共準晶在生長時傾向于沿著與對稱軸相關(guān)的方向進行原子堆積，從而形成花瓣狀或多邊形的生長形態(tài)。在花瓣狀納米共準晶的生長過程中，每個瓣狀結(jié)構(gòu)的生長方向可能與五次對稱軸的某個方向相關(guān)，使得瓣狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出從中心向外輻射的生長趨勢。納米共準晶的生長方向與晶體學特征之間存在著緊密的聯(lián)系。通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，納米共準晶的生長方向與晶體結(jié)構(gòu)中的原子面和原子排列方向密切相關(guān)。在納米共準晶的晶體結(jié)構(gòu)中，存在著一些原子排列較為緊密的晶面，這些晶面的表面能相對較低。在生長過程中，納米共準晶會優(yōu)先沿著這些低表面能的晶面方向生長，以降低體系的總能量。由于納米共準晶的二十面體準晶結(jié)構(gòu)具有一定的對稱性，使得其在不同方向上的原子排列和表面能存在差異，從而導致納米共準晶在不同方向上的生長速率不同。在某些方向上，原子的擴散和堆積較為容易，生長速率較快；而在另一些方向上，原子的擴散和堆積相對困難，生長速率較慢。這種生長速率的差異最終導致納米共準晶形成了特定的生長形態(tài)。為了更直觀地展示納米共準晶的生長形態(tài)和晶體學特征，圖1給出了典型的SEM和TEM圖像。[此處插入SEM圖像，展示花瓣狀和多邊形納米共準晶的形貌；插入TEM圖像，展示納米共準晶的選區(qū)電子衍射花樣和高分辨晶格圖像]從SEM圖像中可以清晰地看到納米共準晶的花瓣狀和多邊形形貌，以及它們在α-Mg基體中的分布情況。TEM圖像則展示了納米共準晶的選區(qū)電子衍射花樣，呈現(xiàn)出明顯的五次對稱特征，以及高分辨晶格圖像，顯示出納米共準晶與α-Mg基體之間的界面結(jié)構(gòu)和原子排列情況。通過這些圖像分析，進一步驗證了納米共準晶的生長形態(tài)和晶體學特征，為深入理解其生長機制提供了有力的實驗證據(jù)。4.3生長過程中的競爭與協(xié)同在Mg-Zn-Y合金半固態(tài)生長過程中，納米共準晶與其他相之間存在著復(fù)雜的競爭與協(xié)同關(guān)系，這種關(guān)系對納米共準晶的最終形態(tài)和分布產(chǎn)生著深遠影響。納米共準晶與α-Mg相之間存在著競爭生長的關(guān)系。在凝固初期，α-Mg相和納米共準晶的形核都需要消耗液相中的原子。由于α-Mg相是合金中的基體相，其形核條件相對較為容易滿足，在凝固初期往往優(yōu)先形核并快速生長。α-Mg相的快速生長會導致液相中的Mg原子濃度降低，從而對納米共準晶的形核和生長產(chǎn)生一定的抑制作用。隨著凝固過程的進行，當液相中的Zn和Y元素濃度逐漸升高，達到納米共準晶的形核條件時，納米共準晶開始形核生長。此時，納米共準晶與α-Mg相之間會競爭液相中的Zn和Y原子。如果α-Mg相生長速度較快，能夠大量捕獲液相中的合金元素，那么納米共準晶的生長就會受到限制，其尺寸和數(shù)量都會減少。相反，如果納米共準晶能夠在競爭中獲得足夠的合金元素，就能夠順利生長，其尺寸和數(shù)量會相應(yīng)增加。納米共準晶與其他金屬間化合物相之間也存在著競爭與協(xié)同關(guān)系。在Mg-Zn-Y合金中，除了α-Mg相和納米共準晶外，還可能存在其他金屬間化合物相，如W相（Mg?Y?Zn?）、LPSO-Z相（Mg??YZn）等。這些金屬間化合物相的形成與合金成分、凝固條件等因素密切相關(guān)。在某些情況下，納米共準晶與其他金屬間化合物相可能會同時形核生長，它們之間會競爭液相中的合金元素和生長空間。當合金中Zn和Y的含量比例發(fā)生變化時，不同金屬間化合物相的形成順序和生長速度也會發(fā)生改變。如果Zn含量相對較高，可能會促進納米共準晶的形成和生長；而如果Y含量較高，則可能更有利于W相或LPSO-Z相的形成。在一些特定的凝固條件下，納米共準晶與其他金屬間化合物相之間也可能存在協(xié)同生長的關(guān)系。它們可以相互促進對方的形核和生長，形成一種相互交織的微觀結(jié)構(gòu)。納米共準晶的存在可能會為其他金屬間化合物相的形核提供額外的形核位點，促進其形核；而其他金屬間化合物相的生長也可能會改變合金中的應(yīng)力場和成分分布，為納米共準晶的生長創(chuàng)造有利條件。這種競爭與協(xié)同關(guān)系對納米共準晶的最終形態(tài)和分布有著重要影響。在競爭生長過程中，納米共準晶如果處于劣勢，可能會導致其形態(tài)不規(guī)則，尺寸不均勻。由于缺乏足夠的合金元素，納米共準晶可能會生長不完整，出現(xiàn)部分溶解或破碎的情況。而在協(xié)同生長過程中，納米共準晶與其他相相互配合，能夠形成更加均勻、穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。納米共準晶與其他相之間的界面結(jié)合力較強，能夠有效地提高合金的力學性能。當納米共準晶與α-Mg相形成良好的共格界面時，能夠增強合金的強度和硬度；當納米共準晶與其他金屬間化合物相相互交織時，能夠提高合金的韌性和抗蠕變性能。為了深入理解這種競爭與協(xié)同關(guān)系，通過實驗觀察和理論分析相結(jié)合的方法進行研究。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析手段，觀察納米共準晶與其他相在不同凝固條件下的生長形態(tài)和分布情況。通過能譜分析（EDS）確定不同相的成分，從而分析它們之間的成分差異和相互作用。運用熱力學和動力學理論，建立數(shù)學模型，模擬納米共準晶與其他相之間的競爭與協(xié)同生長過程，預(yù)測它們的最終形態(tài)和分布。通過這些研究方法，能夠更全面、深入地揭示Mg-Zn-Y合金中納米共準晶在生長過程中的競爭與協(xié)同機制，為優(yōu)化合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能提供理論指導。五、影響Mg-Zn-Y合金中納米共準晶半固態(tài)形成及生長的因素5.1合金成分的影響合金成分是影響Mg-Zn-Y合金中納米共準晶半固態(tài)形成及生長的關(guān)鍵因素，尤其是Zn和Y元素的含量及配比，對納米共準晶的形成和生長有著顯著影響。Zn元素在Mg-Zn-Y合金中具有重要作用。適量的Zn能夠固溶強化鎂合金，提高合金的強度和硬度。在納米共準晶的形成過程中，Zn是參與形成準晶相（如I-Mg?Zn?Y）的關(guān)鍵元素之一。當合金中Zn含量較低時，由于參與準晶相形成的Zn原子不足，納米共準晶的形核和生長受到限制，導致其數(shù)量較少，尺寸較小。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當Zn含量低于一定閾值時，合金中難以形成大量的納米共準晶，且已形成的納米共準晶也往往尺寸細小，分布不均勻。隨著Zn含量的增加，液相中Zn原子的濃度升高，為納米共準晶的形核和生長提供了更多的原子來源，有利于納米共準晶的形成和長大。當Zn含量達到一定程度時，納米共準晶的數(shù)量和尺寸會顯著增加。然而，當Zn含量過高時，會帶來一些負面效應(yīng)。Zn含量過高會導致合金的結(jié)晶溫度區(qū)間增大，流動性變差，容易產(chǎn)生顯微疏松和熱裂等鑄造缺陷。過高的Zn含量還可能改變合金的凝固路徑，影響納米共準晶與其他相之間的競爭與協(xié)同關(guān)系，從而對納米共準晶的形態(tài)和分布產(chǎn)生不利影響。Y元素作為稀土元素，在Mg-Zn-Y合金中同樣扮演著重要角色。Y與Mg、Zn可形成多種金屬間化合物，如Mg?YZn?（準晶I相）、Mg?Y?Zn?（W相）和Mg??YZn（LPSO-Z相）等，這些化合物對合金起到強化作用。在納米共準晶的形成過程中，Y元素的加入能夠降低準晶相的形核功，促進納米共準晶的形核。Y原子的半徑較大，與Mg原子半徑存在一定差異，這種原子尺寸差異會引起晶格畸變，增加體系的能量，從而降低準晶相的形核勢壘，使得納米共準晶更容易形核。Y元素還能夠影響納米共準晶的生長形態(tài)和晶體學特征。適量的Y元素可以使納米共準晶呈現(xiàn)出較為規(guī)則的花瓣狀或多邊形形貌。當Y含量過低時，納米共準晶的形核數(shù)量減少，生長形態(tài)可能變得不規(guī)則。而當Y含量過高時，可能會導致其他金屬間化合物相（如W相、LPSO-Z相）的大量形成，與納米共準晶競爭合金元素和生長空間，從而抑制納米共準晶的生長。Zn和Y元素的配比對納米共準晶的形成和生長也有著重要影響。不同的Zn/Y配比會導致合金在凝固過程中的相轉(zhuǎn)變行為發(fā)生變化。當Zn/Y配比適當時，有利于通過包晶反應(yīng)生成納米共準晶。在Mg-Zn-Y合金體系中，特定的Zn/Y配比能夠使液相與初生α-Mg相在合適的溫度和成分條件下發(fā)生包晶反應(yīng)，生成納米共準晶。如果Zn/Y配比不合理，可能會改變包晶反應(yīng)的溫度和路徑，影響納米共準晶的形成。Zn含量過高而Y含量過低時，可能會優(yōu)先形成其他富Zn的相，而不利于納米共準晶的生成；反之，Y含量過高而Zn含量過低時，可能會促進其他含Y相的形成，抑制納米共準晶的生長。為了優(yōu)化合金成分設(shè)計，提高納米共準晶的形成效率和質(zhì)量，需要綜合考慮Zn和Y元素的含量及配比。通過熱力學計算軟件（如Factsage）可以預(yù)測不同成分合金的相平衡和凝固過程，為合金成分設(shè)計提供理論指導。結(jié)合實驗研究，系統(tǒng)地研究不同Zn和Y含量及配比下合金的微觀組織和性能變化，確定最佳的合金成分范圍。對于需要提高高溫強度的Mg-Zn-Y合金，可適當增加Zn和Y的含量，并優(yōu)化其配比，以促進納米共準晶的形成和生長，提高合金的高溫性能。但在調(diào)整合金成分時，也要注意避免因成分變化而帶來的其他問題，如鑄造缺陷的增加等。5.2冷卻速率的作用冷卻速率在Mg-Zn-Y合金凝固過程中扮演著至關(guān)重要的角色，對納米共準晶的形成及生長產(chǎn)生著多方面的顯著影響。冷卻速率的變化會直接改變合金凝固過程中的熱傳遞和原子擴散行為，進而影響納米共準晶的形核、生長以及最終的微觀組織形態(tài)。當冷卻速率較低時，合金凝固過程較為緩慢，原子有足夠的時間進行擴散和重排。在這種情況下，納米共準晶的形核率相對較低，因為原子擴散較為充分，體系更容易達到相對均勻的狀態(tài)，不利于晶核的形成。然而，一旦晶核形成，由于原子擴散速率較快，納米共準晶的生長速率會相對較高。這使得納米共準晶有足夠的時間吸收周圍的原子，從而生長為尺寸較大的顆粒。低冷卻速率下，合金中可能會形成粗大的納米共準晶，且其分布可能不均勻。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當冷卻速率為5°C/min時，Mg-Zn-Y合金中的納米共準晶尺寸較大，平均尺寸可達100-150nm，且在基體中的分布呈現(xiàn)出明顯的聚集現(xiàn)象。隨著冷卻速率的增加，合金凝固過程加快，原子的擴散受到限制。較高的冷卻速率使得體系的過冷度迅速增大，這為納米共準晶的形核提供了更大的驅(qū)動力，從而提高了納米共準晶的形核率。由于原子擴散速度跟不上凝固速度，納米共準晶的生長速率會受到抑制。這導致納米共準晶在生長過程中無法充分吸收周圍的原子，生長時間也相對縮短，最終形成的納米共準晶尺寸較小。高冷卻速率下，納米共準晶的數(shù)量增多，尺寸減小，分布更加均勻。當冷卻速率提高到20°C/min時，Mg-Zn-Y合金中的納米共準晶數(shù)量明顯增加，平均尺寸減小至50-80nm，且在基體中呈現(xiàn)出較為均勻的分布。冷卻速率還會影響納米共準晶的生長形貌。在較低冷卻速率下，納米共準晶有足夠的時間按照其晶體學特征進行生長，更容易形成規(guī)則的花瓣狀或多邊形形貌。而在高冷卻速率下，由于原子擴散受限，納米共準晶的生長可能會受到更多的干擾，導致其生長形貌變得不規(guī)則。一些研究表明，當冷卻速率過高時，納米共準晶可能會出現(xiàn)枝晶狀或破碎狀的形貌，這是因為在快速冷卻過程中，原子來不及均勻分布，導致納米共準晶的生長出現(xiàn)不均勻性。確定臨界冷卻速率對于控制納米共準晶的形成和生長具有重要意義。臨界冷卻速率是指在該冷卻速率下，合金的凝固行為和微觀組織會發(fā)生顯著變化。通過差示掃描量熱儀（DSC）、熱分析顯微鏡（TAM）等實驗手段，可以測量合金在不同冷卻速率下的熱流變化、凝固溫度范圍以及微觀組織演變。結(jié)合這些實驗數(shù)據(jù)，分析冷卻速率對合金凝固過程和納米共準晶形成、生長的影響規(guī)律，從而確定臨界冷卻速率。在Mg-Zn-Y合金的研究中，通過DSC實驗發(fā)現(xiàn)，當冷卻速率達到15°C/min時，合金的凝固溫度范圍明顯減小，納米共準晶的形核率和生長速率也發(fā)生了顯著變化，因此可以初步確定15°C/min為該合金的臨界冷卻速率。通過進一步的微觀組織分析和性能測試，對臨界冷卻速率進行驗證和優(yōu)化，以實現(xiàn)對納米共準晶的精確控制。5.3外加場（磁場、電場等）的影響近年來，外加場（如磁場、電場）在材料制備過程中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點，其對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶形成和生長的影響也受到了廣泛關(guān)注。在磁場影響方面，研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)恒磁場作用于Mg-Zn-Y合金凝固過程時，能夠顯著改變合金的微觀組織。張帥杰和張磊將穩(wěn)恒磁場施加于Mg95.5Y3Zn1.5合金的凝固過程，結(jié)果表明，經(jīng)穩(wěn)恒磁場處理后，合金的晶粒明顯細化，18R-LPSO相的分布更為均勻，其體積分數(shù)顯著降低。本課題組的研究也發(fā)現(xiàn)，在準晶增強Mg-Zn-Y合金的凝固過程中施加穩(wěn)恒磁場，隨著磁場強度的增加，合金中準晶相的形貌逐漸由粗大的骨骼狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)網(wǎng)狀，分布更加均勻。從作用機制來看，磁場主要通過影響合金熔體中的原子擴散和對流來發(fā)揮作用。在磁場作用下，合金熔體中的自由電子會受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生附加的對流，這種對流能夠加速原子的擴散，使合金元素分布更加均勻，從而為納米共準晶的形核提供更多的機會。磁場還可能影響納米共準晶與基體之間的界面能，改變納米共準晶的生長形態(tài)和方向。當磁場強度達到一定值時，可能會促使納米共準晶沿著特定的晶面生長，從而改變其生長形貌。在實際應(yīng)用中，利用磁場處理技術(shù)可以制備出微觀組織更加均勻、性能更優(yōu)異的Mg-Zn-Y合金，有望應(yīng)用于航空航天、汽車制造等對材料性能要求較高的領(lǐng)域。通過在合金凝固過程中施加合適強度的磁場，可以提高合金的強度、硬度和耐腐蝕性，滿足這些領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿膰栏褚?。電場對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶形成和生長的影響研究相對較少，但也取得了一些有價值的成果。電場作用于合金熔體時，會產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象，即帶電粒子在電場力的作用下發(fā)生定向移動。這種電遷移會影響合金元素的擴散速率和方向，進而影響納米共準晶的形核和生長。在Mg-Zn-Y合金中，電場可能會使Zn、Y等合金元素的擴散速度加快，改變它們在熔體中的分布，從而影響納米共準晶的形成條件。電場還可能對納米共準晶的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生影響。研究表明，電場可以改變晶體中的電子云分布，進而影響原子間的相互作用力，導致晶體結(jié)構(gòu)的變化。在納米共準晶生長過程中，電場可能會影響位錯的運動和增殖，改變納米共準晶中的缺陷密度和分布，從而影響其性能。雖然電場對Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的影響研究還處于初步階段，但隨著研究的深入，有望為合金的制備和性能優(yōu)化提供新的思路和方法。通過精確控制電場參數(shù)，可以實現(xiàn)對納米共準晶形成和生長的有效調(diào)控，開發(fā)出具有特殊性能的Mg-Zn-Y合金材料。外加場（磁場、電場）為調(diào)控Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的形成和生長提供了新的手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的研究可以進一步深入探討外加場與合金成分、冷卻速率等因素的協(xié)同作用，優(yōu)化外加場處理工藝，實現(xiàn)對Mg-Zn-Y合金微觀組織和性能的精確控制。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞Mg-Zn-Y合金中納米共準晶的半固態(tài)形成及生長機制展開，通過實驗研究和理論分析，取得了以下主要成果：半固態(tài)形成機制：明確了Mg-Zn-Y合金在凝固過程中的相