鎂合金作為最輕的金屬結構材料被廣泛應用于汽車輪轂、變速箱殼體、座椅骨架等零配件領域，對于實現節能減排和產品輕量化等方面具有積極意義。與鋁合金、鋼鐵等其他金屬結構材料相比，強度不夠高、耐腐性能差和耐熱性較差是限制鎂合金發展的重要因素。目前被報道的AZ系列、AM系列鎂合金已經在強度上獲得了很大提高，相關鑄造合金的抗拉強度可達到190 MPa以上。同時，Mg-Gd、Mg-Sn和Mg-Bi系列合金作為耐熱鎂合金產品近年來受到更多的研究者關注，其中Mg-Sn和Mg-Bi系列合金具有良好的開發前景，成本明顯低于Mg-Gd等含稀土耐熱鎂合金。目前，LI X等報道了Mg-6Bi合金的時效行為，JAE W C等也研究了Mg-5Bi-3Al合金的顯微組織與力學性能。可見高Bi含量的鎂合金具有較大的開發價值，而作為發動機殼體等耐熱部位的潛力輕量化材料，對耐熱性能和力學性能的綜合性能要求較高，有必要開發一種鑄態Mg-7Bi合金，并且通過合金化優化顯微組織和力學性能，使其適用于大鑄件應用場景。

值得關注的是，在Mg-Bi合金中容易形成穩定性較強的Mg₃Bi₂相，該第二相的熔點達到821 ℃，明顯高于Mg₁₇Al₁₂（432 ℃）、Mg₂Sn（771 ℃）和MgZn₂（413 ℃）等常見第二相的熔點，對于提高Mg-Bi合金的耐熱性具有重要意義。目前所報道的Mg-Bi系列合金強度一般集中分布在50~150 MPa，伸長率一般不超過10%，整體上強塑性相對較差。合金化是有效改善合金顯微組織和力學性能的重要途徑，Al、Zn、Cu、Mn、Zr等通過固溶強化、細晶強化和第二相強化來提高合金強度。對于開發耐熱性較高的Mg-Bi合金，添加Ce和Cu元素進一步形成的Mg₂Cu或Mg₁₂Ce相也具有較好的耐熱性，同時與Ag元素共同添加到Mg-Bi合金中，可以起到良好的細晶強化效果。

根據Mg-Cu、Mg-Ce二元相圖，通過向鎂合金中添加（質量分數，下同）2%的Ce和2%的Cu，可以形成熔點分別為568 ℃、611 ℃的Mg₂Cu和Mg₁₂Ce第二相，既可形成少量的差異耐熱第二相，又達到細化晶粒的效果。Ag元素添加一般不超過1%，難以形成第二相，能夠發揮Ag元素固溶強化和細晶強化效果，且不會因形成Mg₅₄Ag₁₇第二相導致添加的Ag元素浪費。本研究通過優化鑄造工藝，利用分步添加熔煉合金原材料的手段，開發一種具有優異力學性能的Mg-Bi-Ce-Cu-Ag合金，進一步分析合金元素添加對合金顯微組織與力學性能的影響，從而為耐熱Mg-Bi合金的研究提供參考。

原材料為高純Mg塊（＞99.95%，質量分數，下同）、高純Bi顆粒（＞99.9%）、高純Cu顆粒（＞99.9%）、高純Ag顆粒（＞99.95%）和Mg-20Ce中間合金塊，單爐按總質量0.8 kg配比稱重，合金的實際化學成分（使用XRF測得）見表1。在真空氣氛井式電阻爐（TRL-6JZK-12）中進行熔煉，保護氣氛采用體積分數為99%的CO₂與1%的SF₆的混合氣體，熔煉坩堝為低碳鋼坩堝。首先將坩堝放入熔煉爐升溫至500 ℃，將Mg塊和Mg-20Ce中間合金塊放入坩堝中保溫10 min完成烘干處理，通入保護氣體升溫至720 ℃保溫20 min完成合金塊熔化，將Bi、Cu和Ag顆粒投入熔化的金屬液中，繼續升溫至735 ℃保溫20 min，然后降溫至700 ℃，再向熔液中添加除渣劑并攪拌，清理完表面浮渣后，將金屬液澆注至預熱到200 ℃的模具中，模具含澆口和冒口的尺寸為180 mm×120 mm×20 mm。

將鑄造合金切割成10 mm×10 mm×10 mm的塊體進行顯微組織測試。使用DX2000型X射線衍射儀（XRD）進行物相檢測，掃描范圍為20°~80°，掃描速度為6 （°）/min。掃描組織觀察試樣表面使用800號SiC砂紙進行終磨，在拋光機上使用絲絨拋光布和金剛石拋光液進行拋光，腐蝕液采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液。使用S3400N掃描電鏡（SEM）進行形貌及元素分布觀察，并用ImageJ通過截線法測量平均晶粒尺寸；利用2100F透射電鏡（TEM）進一步觀察第二相形貌、元素分布及原子高分辨結果；拉伸試樣示意圖見圖1，室溫下在微機控制電子萬能試驗機上以1×10^-3 s^-1的拉伸速度完成拉伸試驗，每種合金測試3個有效試樣，取平均值。

圖4為鑄造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的顯微組織及元素分布結果。可以看出，在晶界處及塊狀第二相分布的位置，不同程度富集了Bi、Ce和Cu元素，可以進一步確認鑄造Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金中Mg₃Bi₂相、Mg₂Cu相及少量Mg₁₂Ce相的存在。

圖5和圖6為鑄造Mg-7Bi合金和Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金中塊狀第二相的TEM結果。由圖5a～圖5c可以得出，富集Bi元素的第二相在鑄造Mg-7Bi合金被檢測到，并通過圖5e衍射斑標定結果，確定為Mg₃Bi₂相。圖5f中測量得出第二相與α-Mg基體的5倍晶格間距，Mg₃Bi₂相的晶格間距為0.421 9 nm，α-Mg基體的晶格間距為0.234 4 nm，兩者界面的晶格錯配度較大。從圖6可以看出，存在Bi、Cu、Ce及少量Ag元素富集的區域，推測該位置為優先形核的位置，形成了明顯的Mg₃Bi₂、Mg₂Cu和Mg₁₂Ce第二相，與XRD和SEM結果一致。

（1）鑄態Mg-7Bi合金由α-Mg和Mg₃Bi₂相組成，其中第二相沿晶界連續分布或以塊狀均勻分布在晶界內。

（2）合金元素Ce、Cu和Ag添加使得Mg-7Bi合金的晶粒尺寸減小，鑄態Mg-7Bi合金的平均晶粒尺寸為88.71 μm，而Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的平均晶粒尺寸僅為61.76 μm，且在合金中形成了少量的Mg₂Cu和Mg₁₂Ce第二相。

（3）添加Ce、Cu和Ag元素，依靠細晶強化、第二相強化和固溶強化使得鑄造Mg-7Bi合金抗拉強度顯著提升且塑性未出現明顯降低。鑄態Mg-7Bi-2Ce-2Cu-1Ag合金的抗拉強度達到169.8 MPa，伸長率仍然保持在10.54%，強塑積由1 511.9 MPa·%提升至1 789.7 MPa·%，綜合力學性能改善效果顯著。

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