01背景与意义

镁合金具有密度低、比强度高，阻尼减震优异和电磁屏蔽性能好等特点，在轨道交通、航空航天、国防军工、电子通信等领域广泛应用。镁合金兼具结构功能特性，是结构功能一体化材料的重要典型。但镁合金耐腐蚀性能差，抑制了其大规模应用。然而制备可溶压裂工具恰好可以利用镁合金腐蚀快的本征特点，且腐蚀产物不会污染地下环境，也不会堵塞油气井。因此，镁合金是制备可溶压裂工具最有潜力的一种备选材料。可溶镁合金压裂工具的应用不仅可以提高非常规油气采收效率，降低生产成本，还能够拓宽镁合金的应用领域，提高我国镁合金材料在国际上的竞争力。根据应用需求，可溶压裂工具在井下高压环境下不仅需要具有较高的力学性能，还需要在压裂完成后快速降解。然而，目前可溶镁合金材料存在高强度与高降解速率协同调控难的问题。

最近，重庆大学王敬丰教授提出在镁合金中引入功能型强化相协同优化镁合金力学性能与功能特性，并发现在镁合金中引入Ni-LPSO相，镁合金的力学与降解性能得到同步提高。一方面，Ni-LPSO相作为强化相能够提高镁合金的力学性能；另一方面，Ni-LPSO相与镁基体之间高电位差促进镁合金快速降解。基于此，本团队设计了含Ni-LPSO相的Mg-Gd-Ni合金，并对铸态进行预热处理，引入层状Ni-LPSO相，进而增加了强化相和阴极相的体积分数。随后对预热合金进行低温挤压变形，获得了含层状Ni-LPSO相的双峰组织，合金的抗拉强度484MPa、拉压强度638MPa，在93℃、3wt.% KCl溶液中的降解速率达到86.1mg·cm-2·h-1，实现高强高降解镁合金的制备。

02图文导读

铸态合金中LPSO相的TEM分析如图1所示。图1a为块状LPSO相的HADDF-STEM图，相对应的电子束方向平行于[11-20]的SAED图谱如图1b所示。在（0000）和（0002）衍射斑点之间分布着5个额外的衍射斑点，表明块状LPSO相为18R型结构。层状相的HADDF-STEM、HRTEM及相应的SAED图如图1c-e所示，在HRTEM图中可以分辨出LPSO相结构的周期性原子层，其间距约为3.59nm，这些特征表明层状相为14H型LPSO。铸态合金中仅在块状LPSO相的边界观察到明显的层状LPSO相。对铸态合金进行400℃和420℃预热处理，金相图和扫描图如图2所示。预热处理后，层状LPSO相的体积分数明显增加，且层状LPSO相贯穿整个晶粒。

图1 块状LPSO相（a, b）和层状LPSO相（c-e）的HADDF-STEM图，SAED图和HRTEM图

图2 预热处理合金的金相图和扫描图

对预热合金进行400℃挤压处理，挤压态合金呈现出明显的双峰组织，同时在块状LPSO相的边界观察到明显的再结晶晶粒，表明块状LPSO相通过颗粒诱导形核（PSN）机制促进再结晶，如图3所示。此外，分布着扭折层状LPSO相的非动态再结晶晶粒在横截面上呈现不规则形貌，在纵截面上沿挤压方向（ED）被拉长。而在横截面上连续分布的块状LPSO相在纵截面上也被拉长，发生扭折、弯曲。对挤压态合金进行力学性能测试，沿挤压方向的拉伸和压缩应力-应变曲线以及相应的拉伸和压缩性能如图4所示。拉伸和压缩性能均随挤压温度的升高而降低。400℃挤压的EX400合金展现出最优的综合性能，抗拉强度484MPa，拉伸屈服强度334MPa，延伸率7.4%；抗压强度638MPa，压缩屈服强度443MPa。

图3 400℃挤压合金的金相图和扫描图

图4 拉伸应力应变曲线和拉伸性能（a, b），压缩应力应变曲线和压缩性能（c, d）

对挤压态合金进行析氢和失重测试，如图5所示。析氢体积和析氢速率随时间变化的曲线如图5a和5b所示。当浸泡时间大于20分钟，EX420（420℃挤压）合金的析氢体积呈线性增加。然而，浸泡时间大于40分钟，EX400合金的析氢体积曲线斜率开始下降。根据图5b的析氢速率曲线，EX400合金的析氢速率在浸泡10分钟后缓慢增加，在浸泡40分钟达到最大值16.3mL/cm2/h。随着浸泡时间的延长，析氢速率逐渐降低并达到稳定状态。与EX400合金不同，EX420合金的析氢速率随着浸泡时间的增加而缓慢增加，直至达到稳定状态。图5c是EX400合金和EX420合金在25±1℃和93±1℃下浸泡并通过失重法测得的降解速率。EX420合金的降解率高于EX400合金，在93℃浸泡的降解率接近EX400合金的两倍，达到170.4mg/cm2/h。

图5 析氢体积（a），析氢速率（b），失重速率（c）

03结论与展望

综上所述，本研究通过预热处理和传统挤压变形，设计了晶界连续分布的块状Ni-LPSO相和基体高密度层状Ni-LPSO的微观组织，制备出一种新型高强高降解镁合金，对于可溶压裂工具用镁合金材料的设计与制备提供了新思路。此外，新型高强高降解镁合金在非常规油气采掘领域的应用在推动压裂用镁合金材料升级换代发挥了重要作用。

04文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第12卷第6期：

[1] Kai Ma, Jingfeng Wang*, Yinhong Peng, Chaoneng Dai, Yuanlang Pan, Ye Wang, Danqian Wang, Jinxing Wang, Yanlong Ma, Fusheng Pan*. Achieving high strength and rapid degradation in Mg-Gd-Ni alloys by regulating LPSO phase morphology combined with extrusion [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(6): 2312-2316.

05下载链接

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06中文摘要

本研究制备了含块状长周期相（LPSO）、层状LPSO和少量共晶相的Mg-13.2Gd-4.3Ni（wt.%）合金，并研究了不同挤压温度下微观组织的演变及其对力学性能、降解性能和腐蚀机制的影响。挤压前预热处理能够有效促进层状LPSO的析出。400℃挤压且具有更高体积分数非动态再结晶晶粒的EX400合金展现出更高的力学性能，这主要归因于强基面织构、高位错密度和高体积分数层状LPSO的复合作用。420℃挤压且具有更高体积分数再结晶晶粒的EX420合金展现出更高的降解速率，这主要归因于EX420合金包含更高的晶界密度。EX400合金具有优异的综合性能，拉伸屈服强度（TYS）334MPa、拉伸强度（UTS）484MPa、伸长率（EL）7.4%；抗压强度（UCS）638MPa、压缩屈服强度（CYS）443MPa；在93℃、3wt.%KCl溶液中的降解速率86.1mg/cm2/h。

07英文摘要

In this study, Mg-13.2Gd-4.3Ni alloys containing continuous bulk-shaped long-period stacking ordered (LPSO), lamellar LPSO, and a small amount of eutectic phase were prepared, and the evolution of microstructure at different extrusion temperatures and its influence on mechanical and degradation properties as well as corrosion mechanism were investigated. Preheating before extrusion can effectively promote the precipitation of lamellar LPSO in matrix. EX400 with higher volume fraction of non-DRXed grains exhibited higher strength, which was mainly due to strong texture, high dislocation density, and high volume fraction of lamellar LPSO. The EX420 with higher volume fraction of DRXed grains showed higher degradation rate, which was mainly due to the higher density of grain boundary. The EX400 exhibited excellent comprehensive properties with tensile yield strength (TYS) of 334 MPa, ultimate tensile strength (UTS) of 484 MPa and elongation (EL) of 7.4%, ultimate compressive strength (UCS) of 638 MPa and compressive yield strength (CYS) of 443 MPa, degradation rate of 86.1 mg/cm2/h at 93 °C in 3 wt.% KCl solution.

08作者简介

第一作者/通讯作者简介：

马凯（第一作者），重庆大学博士毕业，中北大学讲师，主要从事高强/塑可溶镁合金以及电弧增材用高强稀土镁合金丝材的研究工作，以第一作者发表SCI论文7篇，主持山西省青年基金，博士后面上基金。

 王敬丰（通讯作者），教育部长江学者特聘教授，重庆大学材料学院党委书记，二级教授、博士生导师，重庆新型储能材料与装备研究院执行院长，重庆市首席专家工作室领衔专家，全国镁合金分会理事长。长期从事结构功能一体化镁合金及其制备成形技术的研发，目前已主持国家重点研发计划项目/课题、国家科技支撑计划项目、国家自然基金重点项目等国家级和省部级科研项目20余项，发表SCI论文290余篇，获权国家发明专利51件、申请国际PCT专利6件、获美国专利2件/加拿大专利3件，获批国家/国际标准牌号4个，主持/参与制定国家标准4项、国际标准2项。获国家科技进步二等奖、重庆市技术发明一等奖、教育部技术发明一等奖等国家与省部级科研奖励7项。