镁合金高温蠕变失效行为与其微观组织热稳定性密切相关。如何调控镁合金中添加元素、金属间化合物及微观组织的动力学行为，抑制元素扩散及界面迁移以提高镁合金在高温服役过程的微观组织稳定性，一直是高温抗蠕变镁合金设计的重要研究课题。近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部轻质高强金属材料创新团队以Mg-Al-Zn体系中的二元及三元金属间化合物为研究对象，结合扩散偶技术和高温激光共聚焦原位实验方法，系统测定化合物扩散生长数据并计算扩散系数，讨论了Mg-Al-Zn体系中金属间化合物的高温扩散动力学稳定性。图1给出了MgZn2-Mg2Al3扩散偶中金属间化合物生长的一系列原位图像，这些样品分别在663K、673K和683K下预退火4h，然后在高温共聚焦显微镜下进行原位观察。
图1. 663 K、673 K和683 K下τ和ε相扩散生长的HTLSCM原位观测结果
采用数值反演方法获得了Mg-Al-Zn二元及三元化合物中的元素互扩散系数（图2），包括γ-Mg17Al12，β-Mg2Al3，Zn固溶的ε-Mg23Al30，MgZn2，Mg2Zn3，τ-Mg32(Zn,Al)49和ϕ-Mg5Zn2Al2。在所研究的温度范围内三元金属间化合物τ相的扩散动力学学稳定性最好，Zn稳定的ε相略高于τ相。此外，通过数据对比发现Mg-Al-Zn镁合金体系中控制化合物扩散生长速度的主要因素是Al元素在镁基体中的扩散速率。该方法也适用于其他高温合金体系中金属间化合物扩散动力学行为研究。
图2. Mg-Al-Zn二元及三元化合物中的元素互扩散系数
上述成果以“Investigation on the Temperature-dependent Diffusion Growth of Intermetallic Compounds in the Mg-Al-Zn System: Experiment and Modeling”为题，发表在《镁合金学报》（Journal of Magnesium and Alloys）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部程开明副研究员为论文第一作者，周吉学研究员为文章共同通讯作者。论文的重要合作者还包括中南大学杜勇教授、张利军教授以及北京科技大学郭翠萍教授等。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然基金青年项目、山东省自然科学基金等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.02.009