阅读文章前，辛苦您点下右上角的“关注”，方便您讨论转发，继续关注每日优质内容~

镁合金作为最轻的结构金属材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”。然而，机械强度较低和耐蚀性能较差是制约镁合金应用的两大缺陷。研究表明，熔点高、热稳定优异的长周期堆积有序(LPSO)相可有效改善镁合金室温、高温力学性能和耐蚀性能。目前已在Mg-Zn-Y、Mg-Cu-Y、Mg-Ni-Y、Mg-Co-Y、Mg-Zn-Gd等数十种三元合金中发现LPSO相的存在。

按原子不同排列顺序，可将镁合金中的长周期有序堆叠结构分为6H、14H、18R等，其中数字表示一个周期的堆积层数，R和H分别代表晶体呈菱形和六方对称。根据面心立方晶格中Mg和合金原子之间的混合能及失配度的模拟计算，未来可能在Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Sr、MgZn-Th等合金中发现稳定LPSO相。

LPSO相是由过渡金属(Transitionmetal,TM)和*土稀**(Rareearth,RE)原子在特定原子面上富集而产生的周期性层错。因LPSO相具有独特的晶体结构、高强度、高硬度和优异的热稳定性而被认为是一种强韧化相。在本课题组先前研究中发现，第二相的尺寸、分布及数量是影响镁合金力学性能及腐蚀性能的重要因素。LPSO结构对不同类型镁基合金力学性能和耐腐蚀性能的影响已得到广泛研究。

在外加应力的作用下，LPSO结构容易与位错相互作用，造成位错积累，并降低镁合金基面滑移的Schimid因子，在不明显牺牲合金韧性的情况下，提高合金强度。此外，LPSO相尺寸较大，可通过短纤维强化机制提高合金的强度，协调合金的应力集中和塑性变形，使合金在裂纹出现前具有优异的塑性。一般情况下，镁合金的力学性能在高温条件下损失严重，因此大多数镁合金不能在高温工作环境中使用，而LPSO相的存在可以保持镁合金在热变形过程中的强度，从而提高其抗蠕变能力。

然而LPSO相对合金腐蚀行为的影响机制存在争议：一方面，LPSO相的微观形貌和含量可影响合金耐蚀性；另一方面，LPSO相与α-Mg间的优先腐蚀顺序，以及LPSO相的腐蚀屏障作用与微电偶腐蚀效应之间的平衡关系未得到完美解释。

LPSO相形成机制

一般认为LPSO相形成机制包括四个步骤:1)RE和TM原子在层错附近的偏聚行为；2)RE和TM原子的有序化，在局部形成周期性ABCA型结构；3)LPSO相的生长都是通过生长台阶的产生和扩展实现的，其位移矢量为a/3〈101ˉ0〉；4)不同类型LPSO相之间的转化需要RE和TM原子的偏析及Shockley位错的重组。而其产生的三个条件为层错、充足的溶质原子和溶质原子比接近层错。

溶质种类及含量

现有研究已较好地诠释了溶质元素的添加量及比例与形成LPSO相类型、数量及微观结构之间的微观联系，并使用密度泛函方法模拟Mg-Y-Zn合金中LPSO溶质簇团的生长机制，揭示不同成分LPSO结构的生长起源，发现在其生长过程中会自发地产生一对间隙原子和空位，每个完全生长的团簇都包含一个间隙原子(Mg或Y原子)。在这个过程中产生的空位从团簇中释放，因此空位密度变得过饱和，可能会促进位错攀升，影响LPSO结构的演化。

对于Mg-6Y-2Zn(质量分数，%)，Y元素、Zn元素的分布和层错是决定14H相析出的两个决定性因素。在退火初期，Y元素、Zn元素和层错优先偏聚在18R相附近，促进了14HLPSO相的形核和生长。同时，在高温(350～500℃)下，亚稳的18R相将逐渐转变为稳定性更高的14H相：18R+α-Mg→14H。同样，Zn元素可促进Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.5Zr合金中14HLPSO相的析出。

ZHOU等探究Mg-Y-Zn系合金中块状LPSO相的体积分数的变化趋势与溶质原子总含量之间的联系。当合金为Mg-0.5Y-0.25Zn(质量分数，%)时，由于缺少溶质原子，合金中不含块状14HLPSO相；而随溶质原子含量增加，Mg-1Y-0.5Zn和Mg-2Y-1Zn合金中块状LPSO相体积分数分别增长6.8%和16.6%。而Mg-Zn-Y-Gd合金中Zn含量的增加会促进LPSO相转变为W相(Mg3Zn3RE2)。当Zn/RE值接近0.5时，第二相为LPSO相。随*土稀**(Y)含量增加，Mg-6Zn-Mn合金中的第二相由Mg7Zn3相、I相、I相+W相、W相+LPSO相和LPSO相依次转变;当Y含量达到6%时，合金的力学性能最佳。

其他合金元素的添加也可影响LPSO相的析出与生成。ZHAO等发现Ni、Bi等合金元素可促进Mg96.5Zn1Y1.5Mn1(摩尔分数，%)合金中18RLPSO相的析出。富集在固相界面的Bi、Ni和Y原子首先形成有序亚结构，通过其有序扩散，为18RLPSO相的形成提供了充足的含Y周期结构，降低了18RLPSO相的形成势垒，促进18RLPSO的生长界面不断向前移动，抑制W相析出。第二相之间没有共同的生长界面，呈离异生长方式。同样，微量合金元素Cd可促进Mg-2.5Y-2.5Zn-1Mn(质量分数，%)合金中LPSO相的形成，并抑制W相生长，使LPSO相的生长方式由耦合生长转变为离异生长。0.35%Cd的加入可将合金极限抗拉强度和韧性提升36%和146%。Ti的添加可促进Mg-Zn-Y-Mn合金中LPSO相的生成，降低屈服不对称性；当Ti添加量为0.5%(摩尔分数)时，屈服不对称性最低。

特定过渡元素(如Ni)的添加在一定程度上可促进LPSO相的析出。LYU等对比Ni代替Zn后Mg96Y2Zn2(MYZ)、Mg96Y2Zn1Ni1(MYZN)和Mg96Y2Ni2(MYN)(摩尔分数，%)合金的显微组织和力学性能，发现Ni在α-Mg基体中的熔点高于Zn，固溶度低于Zn，这有利于均质化过程中LPSO相的析出。LPSO相和金属间化合物的体积分数明显增加，使合金屈服强度变高，塑性减弱。均质态MYZ、MYZN和MYN合金中LPSO相的平均体积分数分别为36.1%、42.5%和47.5%。

而Sn[的加入诱导LPSO相大量生成，掺Sn合金中18RLPSO相体积分数由退火态Mg-6Y-2Zn的35%提升到58%。LPSO相增加的原因有三点：1)LPSO相的形成受到化学有序性和层错的影响；2)根据密度泛函理论，Sn严重降低基面〈112ˉ0〉和锥面〈112ˉ3〉滑移系的表面张力；3)Sn元素的加入降低Y、Zn元素在基体中的溶解度，在高温退火过程中使更多合金元素参与18RLPSO相的形成。

微量B元素(0.003%，质量分数)可有效地促进固溶处理过程中Mg94Y2.5Zn2.5Mn1合金中14HLPSO相的析出，使固溶态合金抗拉强度和伸长率由217.1MPa和12%提升到261.7MPa和20.5%。这是由于Mg与Zn、Y、Mn的原子半径之差小于Mg与B的原子半径之差，少量Mg-B中间合金释放大量游离态B离子，降低合金基体中的层错能，增加基体中层错的形成容易程度，促进拉伸性能优异的18RLPSO相形成。在高温处理时，18RLPSO相会向夹在镁基体中弹性模量优异和热稳定性更高的晶内强化相即14HLPSO相转变。

热处理工艺

LPSO相的形成不仅取决于合金成分，还取决于热处理工艺，可通过热处理工艺调控LPSO相的微观组织形态和体积分数，从而达到强化合金的效果。

首先，固溶处理可显著降低LPSO相体积分数。Mg-1.8Zn-0.8Y-0.8Gd和Mg-1Zn-0.8Y-0.8Gd合金固溶处理(480℃，48h)后，其LPSO相体积分数分别由21.7%和23.6%降低为13.5%和21.5%。

其次，在热处理过程中会出现LPSO相微观结构的变化及类型转变。Mg95.5Zn1.5Y3(摩尔分数，%)合金中的LPSO相经(520℃,6h)固溶处理后，部分溶于基体，并由蜂窝状转变为不连续结构，晶界处LPSO相由块状转变为短棒状。而WANG等发现Mg-4Y-2Er-2Zn-0.6Zr(质量分数，%)合金在510℃热处理后LPSO相的类型发生转变；热处理前合金由α-Mg基体和层状14HLPSO相组成，热处理2h后，14HLPSO片层变短，体积分数降低；进一步延长热处理时间至8h,RE和Zn原子溶解，片层状14HLPSO相消失。热处理后溶解在α-Mg中的RE和Zn向层错扩散，降低合金层错能(决定块状18RLPSO相的形成)。

Mg-2Y-1Zn(质量分数，%)在退火(500℃)过程中表现出与Mg-4Y-2Er-2Zn-0.6Zr(质量分数，%)合金中相反的LPSO相转变：18R向14HLPSO相转变。枝晶间的亚稳LPSO团簇首先生成18RLPSO相结构，主要生长在α-Mg带附近。随着退火时间的延长，促进亚稳态LPSO团簇呈现多样性。当LPSO相的基本单元中的一个紧密排列的原子层沿特定平面上的Shockley分位错发生移动或改变间隔距离(Mg层数量)时，发生18R向14HLPSO相转变。这个演化过程可由密度泛函理论中计算的负热力学稳定性公式解释。通过计算生成焓、热力学稳定相和相对于14HLPSO相的能量差，判断各LPSO相的稳定性，解释LPSO相的转变方式。生成焓的计算如下：

式中：E(MgaYbZnc)为LPSO相总能量；E(Mg)、E(Y)和E(Zn)为一元相的总能量；a、b和c分别为Mg、Y和Zn的原子个数。热力学稳定相能量的计算如下：

式中：E(MgYZn)、E(Mg3Y)和E(Mg)分别为凸包相能量。其他LPSO相与14HLPSO相之间的能量差如下：

式中：E(14H)和E(Mg)为14H和HCP镁基体总能量；NMg14H和N14Hatoms为14H结构中Mg原子数和总原子数。

低温热处理工艺可能会促进不同LPSO相共存。铸态Mg-Al-RE-Zn合金在300℃等温处理80h过程中，出现14H和18RLPSO相析出和共存的现象。在凝固过程中，18RLPSO相从块状Mg4.8Al12RE7.2(摩尔分数，%)相中析出和生长，而14HLPSO相仅在与Mg4.8Al12RE7.2/Mg共格的界面上生长，14H相和18RLPSO相同时和与Mg基体共格的Mg4.8Al12RE7.2相共存。14H和18R型LPSO相在不同{111}Mg4.8Al12RE7.2晶面形核、生长并相交，交角为70.5°，等于任何两个不同的{111}Mg4.8Al12RE7.2晶面之间的交角。

热变形及处理工艺

变形工艺可优化LPSO相的微观组织形态、分布及生长方式，提高LPSO相的强化效果。

ZHAO等采用粉末混合致密挤压和半固态搅拌铸造相结合的工艺制备了纳米TiB2/Mg96Zn2Y2复合材料，研究纳米TiB2颗粒对含18RLPSO结构的铸态Mg96Zn2Y2(摩尔分数，%)基复合材料组织、力学性能和耐磨性能的影响，发现TiB2纳米粒子可显著细化晶粒，促进18RLPSO相析出，优化18RLPSO相和W相的生长方式。TiB2纳米颗粒与18RLPSO相间的协同强化效应和优化生长模式提高复合材料硬度、加工硬化能力和强度。

JIN等研究发现，Mg88Co5Y7(摩尔分数，%)合金在电子束辐照后，原始含堆积缺陷15RLPSO相转变为12HLPSO相。这是由于电子束辐照促进原子位移，加速溶质原子在LPSO相中的扩散，重新排列形成新相，导致材料相变。