近日，上海交通大學曾小勤教授團隊在鎂合金半固態成型研究方面取得重要進展，相關成果以“Composition-Microstructure-Property Relationships in Thixomolding Mg-Al-Zn Alloys: Role of the Al/Zn Ratios”為題，發表于材料領域權威期刊《Metallurgical and Materials Transactions A》。論文第一作者為谷立東博士，通訊作者為王杰助理研究員。

半固態注射成型（Thixomolding）是一種先進的鎂合金精密成形工藝。其特點在于將合金加熱至液-固兩相區，在螺桿剪切作用下形成具有觸變性的半固態漿料，實現層流充型。該工藝能顯著減少氣孔和縮松等缺陷，獲得細小均勻的非枝晶組織，從而有效提升構件的力學性能與尺寸精度。然而，傳統適用于高壓壓鑄的商用鎂合金在半固態成型過程中性能尚未充分發揮，除了AZ91D和AM60B，適于半固態工藝的新材料研發十分必要。為此，本研究固定Al+Zn總含量為10 wt%，系統調節Al/Zn比例，深入揭示其與微觀組織和性能之間的內在聯系。

半固態注射成型工藝示意圖

研究結果表明，通過合理調控Al/Zn比例，可實現合金在強度、塑性和導熱性之間的協同優化，為面向半固態成型工藝的鎂合金成分設計提供了重要理論依據與工程指導。

1 微觀組織演變

不同Al/Zn比的半固態注射成型Mg-Al-Zn合金相組成演變

?相組成：隨著Al/Zn比例降低，合金中析出相由連續網狀Mg??Al?? 逐漸轉變為孤立塊狀MgZn，中鋁中鋅合金（如AZ64–AZ28）中則形成Mg-Al-Zn三元金屬間化合物。

?二次相含量：Mg-10Al合金中二次相面積分數為12.8%，隨Zn含量增加先降后略升，Mg-10Zn合金中為10.7%。

?晶粒結構：所有合金均獲得均勻細小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸介于4.4-6.3 μm，且織構隨機分布，無顯著擇優取向。

2 力學性能分析

不同Al/Zn比的半固態注射成型Mg-Al-Zn合金力學性能

?強度：隨著Al含量增加，屈服強度呈上升趨勢，Mg-10Al合金YS最高達161.4 MPa，主要歸因于大量Mg??Al??相的強化作用。

?塑性：Zn含量的提升顯著改善合金塑性，Mg-10Zn合金伸長率最高達18.56%，這與Zn固溶促進非基面滑移及塊狀MgZn相抑制微裂紋擴展有關。

?強塑性匹配：中Al/Zn比合金（AZ64-AZ37） 表現出最優綜合性能：YS > 153 MPa，UTS > 294 MPa， elongation > 12%。

3 熱/電導率行為

不同Al/Zn比的半固態注射成型

Mg-Al-Zn合金物性數據與導熱/導電性能

研究系統闡明通過調控Al/Zn比例可實現半固態成型鎂合金的“性能可設計性”，為未來鎂合金設計提供了有價值的參考。中Al/Zn比合金（如AZ64-AZ37），適用于對強度、塑性與導熱性均有要求的結構-功能一體化部件，如汽車座椅骨架、電子設備殼體等。高Zn合金（如Mg-10Zn），憑借優異導熱性，在散熱模組、LED基板等熱管理場景中具備潛力。未來研究方向可包括引入稀土、Ca等微合金元素以優化高溫性能與耐蝕性，并推動中試驗證與產業化應用，實現從實驗室研究向工程實踐的跨越。

論文鏈接：

Gu et al., Metallurgical and Materials Transactions A, 2025.

DOI:  https://doi.org/10.1007/s11661-025-08021-x