作者：张毅
镁合金以质量轻、减震性好、比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、机械加工方便等优点，近年来作为轻质结构材料被广泛应用于汽车、交通、电子等领域，但镁合金在开发应用中也存在着低温变形困难、易腐蚀、强度和伸长率低等诸多问题，限制了其进一步应用。
长周期堆垛有序结构作为一种有效的增强相，虽然在各合金系表现出来的性能略有差异，但总体来说含有长周期堆垛有序结构的镁合金在室温和高温下表现出了较好的强韧性。长周期堆垛有序结构的析出、分布、含量等都对镁合金的力学性能产生重要影响。因此，了解长周期堆垛有序结构的形态、形成机理、影响因素，对开发新型高性能镁合金具有积极意义。
1 长周期堆垛有序结构
长周期堆垛有序(Long Period Stacking Ordered，LPSO)结构是KAWAMURA Y等在2001年通过快速凝固粉末冶金方法制备Mg97Zn1Y2合金时发现的。根据制备温度的不同，合金的抗拉强度可达480～610MPa，伸长率可达5%～16%。
目前发现的LPSO相主要有5种结构类型，分别是6H、10H、14H、18R、24R。其中6H、14H和18R结构在试验中经常被发现，而10H和24R结构观察到较少.18R结构通过热处理可转变为14H结构。根据其析出过程的时间、位置不同，存在LPSO相的合金系通常被分成两大类：第1类是在凝固过程直接生成LP-SO相的，这主要包括Mg-RE(RE为Y、La、Ce、Pr、Sm、Nd、Dy、Ho、Er)-X（X为Zn、Cu、Ni）合金系，第2类是指在凝固过程不能直接生成LPSO相，但铸件通过热处理后仍能析出LPSO相的一类合金，这主要包括Mg-RE（RE为Gd、Tb、Tm）-X（X为Zn、Cu、Ni）合金系。Mg-RE-X合金中LPSO结构及特征见表1。
目前关于LPSO结构的研究主要集中在Mg-Y-Zn、Mg-Gd-Zn、Mg-RE-Cu、Mg-RE-Ni合金系，其中以Mg-Y-Zn型合金研究最为广泛。
1.1 合金元素在LPSO相形成中的作用
KIM J I等对Mg-RE-Zn合金进行了系统研究，发现形成LPSO结构的稀土元素需要满足4个条件：①每对Mg-RE和Zn-RE必须有负的混合焓；②RE在室温下具有HCP结构；③RE在Mg中的极限固溶度超过3.75%；④RE原子尺寸比Mg大8.4%～11.9%。
对于Mg-Y-Zn合金LPSO结构的形成提出了两种可能的机制：一种是非平衡热处理过程的位错激活，另一种是扩散机制。ABE E等。注意到非平衡热处理过程的位错激活能加剧LPSO结构的形成。然而，在热力学平衡的铸态加工镁合金中，位错的激活与LPSO结构的起源并无关联，而退火过程导致的LPSO结构区的扩展则恰恰表明LPSO结构区的形成与扩散有关。镁合金中观测到的LPSO结构可看成某种“超点阵结构”，因此它是与扩散机制相关的过程。
通常，Mg-Y-Zn合金的LPSO相中Zn和Y元素首先在晶粒边界富集成核，然后沿基平面向晶粒内部生长。首先，从过饱和固溶体中偏析的Y和Zn原子在基平面沉淀，通过形成晶界的“无定形区”而完成LPSO结构的成核。由于Mg原子半径(0. 16 nm)小于Y的原子半径(0, 18 nm)但大于Zn的原子半径(0. 13 nm)，Y和Zn原子的偏析或分离会引起2H-Mg相明显的畸变，由此而引起的这种应变被认为是LPSO结构形成的根源，其中，肖特基位错（一种热缺陷）的传播对于LP-SO结构的成核和生长是必要的；其次，LPSO结构之所以在晶粒边界成核然后再向晶粒内部生长，其原因是晶粒边界为诱导位错的最佳源头，因此LPSO结构的成核和生长受到此种应变的加强与促进，并最终导致LPSO相在晶粒内部“从一边到另一边”的侧向生长。
需要注意的是，位错附近的局域应力有可能会增强溶质原子的扩散以获得LPSO结构的“化学序”，这种机制被称为“边缘机制(Ledge Mechanism)”。在RE与Zn（或Cu、Ni）之间的成分接近一定原子比的无序固溶体中，当无序固溶体从高温缓冷到一临界温度以下，溶
质原子就会发生“有序化”过程，从而形成一种具有长周期有序结构的有序固溶体，这种长周期有序结构包括“成分有序化”和“堆垛层错（面缺陷）有序化”两种，它既可以出现在基体中也可出现在第二相中。由于引入堆垛层错需要肖克莱不全位错的萌生和增殖，而晶界又是位错的有利来源，所以推断首先在晶界附近产生层错，接着长周期结构在晶界处萌生，然后向晶粒内部生长。在挤压变形过程中，合金受到外部应力作用，长周期结构迅速生长并形成连续的层片状结构；位错周围的应力场可以提高其附近溶质原子的扩散，从而达到形成LP-SO结构所需要的“成分有序”。
层错对LPSO相的形成有着决定性的作用，而层错的形成又受到合金元素对层错能的影响。低的层错能更利于层错的产生。因此，镁合金中形成LPSO的元素特点及判据，必须要考虑合金元素对镁合金的堆垛层错能的影响。PAN F S等对Mg-Zn-Y-Zr合金通过第一性原理及试验研究表明，合金元素Y能够显著降低合金的堆垛层错能，元素Zn尽管可以增加堆垛层错能但影响不明显；LPSO相与层错都形成于(0001) α-Mg面且沿[010] α-Mg方向生长延伸。因此PAN F S等[19]提出“LPSO相可能由堆垛层错直接形核，且低的层错能更有利于LPSO相的生成”的观点，这对形成LPSO相的元素特点及判据提供了理论补充：即RE和X能够明显降低镁合金的层错能，其化学错配代数和符号为负，且其绝对值较大。
综上所述，LPSO结构主要是由过饱和Mg固溶体中固溶元素的沉淀析出所致，通常由“堆垛有序”和“成分有序”两个步骤形成，且层错对LPSO相的形成起决定作用。由于在不同合金成分体系、不同冷却速度制备工艺的镁合金中有可能会形成不同类型的LPSO相或“准LPSO相”，故LPSO相元素判据尚有待完善，而LPSO相形成机理与演变过程也仍待进一步深化。
1.2 冷却速率和热处理对LPSO相形成的影响
冷却速率和热处理条件对LPSO相的生成及分布有着直接影响。冷却速率直接影响合金生成第二相的种类及LPSO相生成的可能性，过大或过小的冷却速度都不利于层片状LPSO相的生成；退火和固溶时效是最有效的两种热处理方式。在退火过程中刚开始主要是14H结构在18R处形核、18R向14H结构转变，随着时间延长，18R向14H转变与14H向基体溶解两个过程同时进行，随后溶解速度大过转变速率进而表现出14H结构的溶解，研究还发现固溶时效处理比直接时效更有利于LPSO相的生成。
LPSO相之所以能显著提高镁合金的强韧性等力学性能，其影响方式主要有两种，一是LPSO相在挤压过程中能阻碍位错的运动，而在热处理过程中LPSO相由于具有高温稳定性而阻碍镁合金晶粒的粗化；二是LPSO相的纤维增强作用。HAGIHARA K等对挤压态Mg97ZnY2合金的研究发现，在相同的挤压条件下含LPSO相的Mg97Znl Y2（镁和LPSO的双相合金）晶粒尺寸（d=2.6μm）比不含LPSO相的Mg99.2 Zn0.2Y0.6（单相合金）晶粒尺寸（d=8.3μm）小。在相同热处理条件下含LPSO相镁合金中再结晶晶粒长大速度更慢；IPSO相作为基体的增强相，其硬度比基体更高，经挤压变形后片层状LPSO相仍沿挤压方向排列．这种具有一定尺寸特征的LPSO相“定向”排列在镁基体中通过短纤维增强机理来影响合金的性能。ITOI T等利用快速凝固技术制备Mg90.5NI3. 25 Y6．25合金与Mg-RE-Cu合金一样都拥有良好的高温稳定性．该合金室温下的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为460、526 MPa和8%，其原因是在铸态组织中发现了18R-LPSO结构，而该结构相在高温退火后仍能存在；JIN Q Q等在铸态的Mg88 Ni5Y7合金中观察到14H-LPSO结构，由于LPSO结构对储氢材料有明显的催化作用。因此，Mg-RE-Ni合金除了其有良好力学性能之外，Mg-RE-Ni合金材料还具有“理论可逆储氢容量高”的特点，从而成为有应用前景的固态储氢材料。
合金元素(RE，X)的主要作用是通过“堆垛层错”方式首先形成“堆垛有序”，而冷却速率和热处理工艺则是通过在这种“堆垛层错”附近提供特定的、足够多的合金元素——溶质原子(RE和X)，进而达到“成分有序”，这就是目前LPSO相形成机制的主流观点。合金元素(RE，X)自身的物理特性、HCP晶体结构特点（能否降低镁合金层错能是其判断标准）是决定LPSO相形成与演变的必要内在因素，而冷却速率和热处理工艺则是促进LPSO相形成的外在因素，包括塑性变形过程也只是为LPSO组织地演变提供畸变能来改善“微区域”内的溶质浓度和改善镁合金力学性能的外在因素。
2 Mg-Nd-Zn型LPSO相研究进展
目前，通过喷射沉积制备技术来实现合金元素的“高合金化”已是一项成熟的制备技术，其原理是液态金属以极高的冷却速率(103～104 K/s)快速凝固成沉积坯，这既能实现快速凝固，又省略了烧结的热过程。它不仅能显著细化沉积坯晶粒，提高合金化元素范围和质量分数，而且还能开发出新型合金体系进而大幅度提高传统结构材料的性能，该制备技术已广泛应用在镁合金、铝合金等材料的研制与工业生产中。
与六方晶胞稀土元素Y(4d15s2)、Gd（4f75d16s2）类似，六方晶体结构的稀土Nd中性原子具有4f46s2外层电子结构，Nd与Zn、Mg的原子尺寸“错配度”也较大，理论上Nd、Zn、Mg三者之间应该能形成Mg-Nd-Zn型的LPSO相，但报道极少，其关键原因就是与“Nd、Zn等合金元素在镁合金中受到质量分数与制备冷却速率这二者的综合影响”有关。另外，也与其形成后的组织热稳定性及塑性变形过程中微观组织的演变有关。
快速凝固技术下细晶(沉积坯晶粒小于10 μm，挤压坯晶粒小于5μm，）镁合金中稀土Nd与Al2 Ca极易形成大量弥散的纳米级面心立方结构(Al，Nd)2 Ca复合相（C15型Laves相），该类粒子对镁合金织构“随机化”有显著的影响，同时在镁合金挤压坯、二次压缩变形后都伴随有Mg-Nd-Zn型LPSO相的形成。若能在Ca/Nd复合高合金化制备的镁合金中了解C15型Laves相对LPSO相形成及演变的影响规律，这对于丰富LPSO相关理论和改善镁合金性能具有重要意义。更进一步讲，如果合金能通过添加高含量的廉价Ca而适当降低昂贵稀土Nd含量的合金化设计思路来实现，这样既能保证合金综合高性能又可以降低生产成本、减少能源消耗。而快速凝固条件下尤其是Ca/Nd复合高合金化镁合金中Mg-Nd-Zn型LPSO相的影响规律研究尚未见相关报道。因此，如何对喷射沉积技术制备的Mg-Nd-Zn型LPSO析出相的晶体学过程做出定量描述，系统研究不同试验条件下LPSO析出相在高合金化镁合金中的形成及演变机理是该领域未来的重要研究方向。
目前Ca/Nd复合高合金化镁合金中Mg-Nd-Zn型LPSO相的研究中尚存在有4个方面的问题：①高合金化镁合金中Mg-Nd-Zn型LPSO相的形成过程、机理及晶体学描述；②塑性变形和热处理过程对Mg-Nd-Zn型LPSO相形核、生长、结构演变的影响；③Mg-Nd-Zn型LPSO相对镁合金再结晶、织构随机化、超塑性的影响机理；④第一性原理在LPSO相研究中的应用。
3 结 语
长周期结构作为一种增强相，发现伊始就获得了广泛关注。目前新型长周期镁合金的研发，主要有两个途径，一是新制备工艺的选用，二是新合金体系的开发。喷射沉积技术作为一种快速凝固的先进成形技术，在制备高性能材料领域已受到高度重视，其在长周期堆垛有序结构镁合金开发及研究中的应用亦应引起人们的重视。
4摘要
综述了镁合金中长周期堆垛有序结构(I_PSO)相的最新研究进展，系统总结了镁合金中LPSO相的类型、形成机理及影响因素，重点对Mg-Nd-Zn型LPSO相的形成进行理论分析，最后指出了喷射沉积技术制备Ca/Nd复合高合金化镁
