研究背景

镁（Mg）作为最轻的结构金属，在3C电子、交通运输、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，其绝对强度低和室温成型能力差使得镁合金仍难以满足一些应用需求，原因之一是镁合金在变形过程中基面<a>位错极易滑动而可动<c+a>位错供给不足。<c+a>位错是协调镁合金沿<c>轴塑性变形的关键载体，但其临界分切应力（CRSS）很高，难以在变形过程中大量激活。传统解决方案（如合金化稀土元素）虽能促进<c+a>位错开启，但成本高昂；而剧烈塑性变形（SPD）虽可引入高密度位错，却往往因缺陷过多严重损害塑性。因此，如何通过非稀土依赖的低成本合金设计，实现镁合金变形过程中<c+a>位错的高效供给，成为镁合金强塑性协同调控的核心挑战。

研究内容

针对上述问题，上海交通大学轻合金中心团队提出基于位错工程调控的合金设计策略，通过旋锻（Rotary Swaging, RS）与快速退火（Flash Annealing, FA）成功实现了对无稀土Mg-Al-Ca合金的强度塑性提升。研究表明，旋锻过程使该合金经历剧烈塑性变形，Mg-Al-Ca合金中的第二相及溶质在旋锻的高频短程变形过程中抑制孪晶，使得变形由大量<a>及<c+a>位错主导。由于<c+a>位错的攀移能垒高于<a>位错，后续的快速退火工艺使得大部分<a>位错湮灭而<c+a>位错得以大量保留。这些保留的<c+a>位错在后续拉伸变形过程中能够继续滑动协调塑性变形，提高了合金的塑性。此外，旋锻在合金组织中引入的大量晶体缺陷使得纳米级Al-Ca析出相及原子团簇在快速退火过程中极易形成，这些析出相及原子团簇的形成进一步提高了合金的强度，从而实现了对Mg-Al-Ca合金强度及塑性的协同提升。

本研究为镁合金的组织调控及性能优化提供了一种新的思路，有望推动轻质高性能结构材料的发展。相关研究成果以“High strength and ductility in a rare-earth free magnesium alloy processed by rotary swaging and flash annealing”为题发表在国际知名期刊Communications Materials上（https://doi.org/10.1038/s43246-025-00736-z）。博士生范云皓为论文第一作者，西安交通大学刘博宇教授、中科院金属所王皞研究员、上海交通大学王乐耘研究员为论文共同通讯作者，上海交通大学为第一单位。合作单位还包括德国Helmholtz-Zentrum Hereon研究所，江西理工大学，辽宁材料实验室以及宝玛克(合肥)科技有限公司。该工作得到了国家自然科学基金和深圳市科技重大专项的资助，同时得到了德国电子同步加速器研究所（DESY）的实验支持。

图1 AX61合金与AZ31合金在旋锻快速退火后的性能对比

图2 TEM与同步辐射原位拉伸表明Al-Ca纳米析出相及团簇对位错的阻碍

图3 分子动力学计算显示AX61合金比AZ31合金具有更强的抑制孪晶能力