综述：利用α-Mg的潜力：从结构到功能揭示Mg合金中基体相的作用

《Journal of Magnesium and Alloys》：Harnessing the power of α-Mg: Unveiling the matrix phase’s role in Mg alloys from structure to function

镁合金基体相α-Mg的固溶强化机制与性能调控研究，涉及力学、耐蚀、电磁屏蔽、阻燃及氢储等特性优化，揭示溶质原子尺寸、电子特性与晶格缺陷的微观互作规律，提出数据驱动设计方法。

　　
本文系统综述了镁合金基体相（α-Mg）对机械性能、耐腐蚀性、阻尼性能、电磁屏蔽性和阻燃性的影响机制，并探讨了其在新兴领域的应用潜力及数据驱动设计的前景。研究指出，α-Mg作为镁合金的核心结构，其原子尺度上的溶质分布、界面结构特征及动态行为调控是优化合金性能的关键。以下从热力学特性、动力学行为、性能优化机制及新兴应用四个维度展开分析：

### 一、基体相的热力学特性与调控
1. **固溶度与相平衡**
α-Mg的固溶度受溶质原子尺寸、电负性及晶体结构匹配度影响。通过Thermo-Calc数据库计算发现，原子半径差异＞15%时易形成第二相（如Mg-Zn合金中的MgZn相），而电负性差异＞±0.4时（如Mg-Sc合金）会抑制固溶并促进相变。研究团队通过机器学习模型筛选出影响固溶度的关键参数（如原子半径、形成能、晶格畸变能），发现镧系元素（如Gd、Y）因高固溶度（Sc达31.23 wt.%）成为强化基体相的有效选择。

2. **晶格畸变与强化机制**
溶质原子与α-Mg的尺寸差异（Δr）和电子结构差异（ΔE）导致晶格畸变能（ΔV）变化。例如，Gd原子半径（1.87 ?）与Mg（1.60 ?）差异显著，形成强畸变能场（ΔV≈15%），能有效阻碍位错运动。实验表明，添加0.5 wt.% Gd可使Mg合金屈服强度提升122 MPa（如纯Mg为59.7 μm，细化至1.57 μm后强度增幅达122 MPa）。

3. **第二相交互作用**
基体相与析出相（如β-Mg₁₇Al₁₂）的界面能差异影响腐蚀行为。研究发现，当第二相电势高于基体（如β-Al相）时，会加速基体腐蚀；反之（如Mg₁₇Sc₂）可形成保护层。通过调控溶质分布（如Mg-0.2Cu-0.2Ca合金），可在细化晶界的同时优化热导率（130 W/m·K）。

### 二、基体相的动力学行为与相变路径
1. **扩散机制与动力学调控**
α-Mg的扩散行为受晶格类型限制，存在基面内（D_∥）和基面间（D_⊥）两种扩散路径。研究表明，D_∥与D_⊥的比值与溶质原子半径及键合强度相关。例如，Zn（1.31 ?）因高扩散能垒，在高温（500°C）下表现出更慢的扩散速率，而Ag（1.93 ?）因弱键合作用扩散系数较高。

2. **相变动力学与组织调控**
α-Mg的相变路径受合金元素协同作用影响。以Mg-Gd-Zr合金为例，时效处理（150°C/32h）时首先形成溶质原子簇（图7a），随后生成GP区（图7b），最终通过晶格失稳形成β'-相（图7c）。添加Ca（0.2 wt.%）可抑制粗大析出相（如Mg₁₇Sc₂），促进细小第二相分布（图7d）。

### 三、基体相性能优化的多场协同机制
1. **机械性能增强**
- **固溶强化**：Al（12.72 wt.%固溶极限）和Sc（31.23 wt.%）通过尺寸和电子结构差异产生显著强化。实验表明，Mg-3Zn-0.2Cu-0.2Ca合金在固溶处理后屈服强度达257 MPa，延伸率19.1%。
- **晶界细化**：通过等通道转角挤压（ECAP）将晶粒尺寸细化至119 μm（Mg-3Sc），使屈服强度提升至352 MPa，同时保持良好塑性。
- **位错运动调控**：DFT计算显示，Gd（4.25 eV/atom）和Y（4.47 eV/atom）对位错的束缚能（F_B）显著高于其他元素，可有效提升加工硬化率。

2. **耐腐蚀性提升策略**
- **基体纯化**：高纯度Mg（<0.3 μm Fe）腐蚀速率可降至0.29 mm/年（纯Mg为208.71 mm/年）。
- **表面钝化层设计**：添加Gd（0.5 wt.%）和Sc（0.5 wt.%）可在Mg表面形成致密MgO层（R_PB=1.09），抑制点蚀形成。
- **微合金化**：Mg-0.3Zn-0.2Ca合金通过抑制β相生长（图20a），将腐蚀电流密度降至88.1 μA/cm2。

3. **多功能协同优化**
研究发现，通过溶质原子梯度分布设计，可在单一基体相中实现性能多维度优化。例如：
- **Mg-4.6Zn-0.3Y-0.2Mn-0.1Nd-0.1Gd**：采用贝叶斯优化算法，同步提升抗拉强度（+13 MPa）、延伸率（+6.1%）和腐蚀电位（-0.02 V）。
- **Mg-8Al合金**：经420°C固溶处理，析出相尺寸细化至200 nm以下，电导率提升至82% IACS，电磁屏蔽效能（SE Total）达106 dB。

### 四、新兴应用中的基体相创新
1. **生物可降解镁合金**
- **降解可控性**：通过调控Sc（0.5 wt.%）和Ca（0.3 wt.%）的固溶度（Sc达31.23 wt.%），可实现年降解率0.1 mm（纯Mg为10 mm）。
- **细胞相容性优化**：添加Zn（<1 wt.%）和In（51.91 wt.%固溶极限）可降低细胞毒性，促进骨整合（图20e）。

2. **镁空气电池（MAB）负极材料**
- **析出相调控**：添加Al（3 wt.%）形成连续β-Al相网络，可提升电池循环稳定性（图21a）。实验显示，Mg-8Al经固溶处理，容量保持率提升至92%。
- **析氢抑制**：Y（<1 wt.%）通过形成致密Y?O?层（图22c），将析氢反应速率常数降低至0.1 mA/cm2。

3. **氢存储材料开发**
- **相变动力学优化**：Mg-Ni-Ce合金通过形成稳定CeH_2.53相（图23a），将吸放氢活化能降低至63 kJ/mol（纯Mg为74.4 kJ/mol）。
- **纳米结构设计**：Mg₂Ni-Ce合金经纳米化处理（晶粒尺寸50 nm），氢扩散系数提升3个数量级，吸氢速率达15 mg/g·h。

### 五、数据驱动合金设计的挑战与突破
1. **多尺度建模框架**
结合机器学习（XGBoost、NSGA-III）与第一性原理计算，建立"成分-工艺-结构-性能"全链条预测模型。例如，通过卷积神经网络（CNN）分析微观组织图像（图3a-d），预测精度达95%。

2. **关键数据库建设**
研究团队构建了包含800+实验数据和2000+计算模拟的Mg合金数据库（图17），涵盖17种主要合金元素（Al、Zn、Ca、RE等）的固溶度、扩散系数及相变路径。

3. **数字孪生技术应用**
开发基于数字图像相关（DIC）和深度学习的组织演化预测系统，可实现时效处理过程中析出相动态追踪（误差<5%）（图9）。

### 六、未来研究方向
1. **基体相本构模型**：建立涵盖固溶强化、晶界强化、第二相强化的统一理论框架。
2. **多场耦合实验**：开展腐蚀-疲劳协同作用对基体相演化的原位观测。
3. **AI辅助设计**：集成Transformer架构的生成式模型，实现从性能需求到成分设计的逆向推导。

本研究系统揭示了α-Mg基体相的多尺度调控机制，为新型镁合金开发提供了理论依据。未来需加强实验验证与计算模型的交叉验证，特别是在生物医学领域需解决稀土元素（如Gd）的生物毒性问题，并通过表面工程提升涂层稳定性。