鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但因其塑性成形性差，目前鎂合金產(chǎn)品多為鑄件。鑄造鎂合金組織粗大，且第二相通常沿晶界呈網(wǎng)狀分布，還常伴有孔洞等鑄造缺陷。為提高力學(xué)性能，必須改善第二相的形態(tài)和分布。常規(guī)工藝是進(jìn)行T6處理，即通過(guò)高溫固溶溶解粗大第二相，然后人工時(shí)效析出細(xì)小粒子。然而，合金元素在鎂中擴(kuò)散速率很低，需要長(zhǎng)時(shí)間的固溶處理。比如，對(duì)于AZ91和AZ80合金，需要在415oC固溶處理~40 h才能使粗大的 -Mg17Al12相溶解，這不僅耗時(shí)、耗能，而且容易導(dǎo)致材料表面氧化和晶粒急劇長(zhǎng)大。此外，固溶處理也無(wú)法消除合金中的孔洞缺陷。傳統(tǒng)的鍛造、擠壓等塑性變形工藝雖然也可細(xì)化、致密化組織，但由于受鎂合金塑性變形能力的約束，而且會(huì)形成強(qiáng)烈的變形織構(gòu)。更為重要的是，對(duì)于已成型的零件，上述方法無(wú)能為力。
能否建立一種工藝，不僅能夠細(xì)化、均勻化、致密化鎂合金組織，而且能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)第二相的溶解且不改變工件的形狀和尺寸？金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室馬宗義研究員所領(lǐng)導(dǎo)的課題組，采用攪拌摩擦加工技術(shù)（Friction Stir Processing, FSP），針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，研究工作取得了一系列的進(jìn)展。
他們對(duì)高鋁含量的Mg-Al-Zn和稀土鎂合金進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)FSP能夠破碎粗大的鑄態(tài)組織并導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；破碎粗大的網(wǎng)狀第二相粒子并使其大部分溶解；消除孔洞疏松等鑄造缺陷。1-2道次的FSP即可實(shí)現(xiàn)微觀組織重構(gòu)，把粗大非均質(zhì)鑄造組織轉(zhuǎn)變成細(xì)小、均勻、致密的鍛造組織（圖1）。尤其重要的是，F(xiàn)SP獲得的是等軸細(xì)晶結(jié)構(gòu)的過(guò)飽和固溶體，并且具有高角晶界比率高、織構(gòu)弱的特點(diǎn)，這是其它塑性加工手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。人工時(shí)效后，F(xiàn)SP合金中析出彌散的第二相粒子，顯著提高了材料的力學(xué)性能。例如，對(duì)于鑄造AZ80鎂合金，F(xiàn)SP后的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率較鑄態(tài)母材分別提高了63%、170%、510%；FSP+時(shí)效后，分別提高了130%、194%、315%。對(duì)于鑄造AZ91D，F(xiàn)SP后疲勞強(qiáng)度從45 MPa提高到105 MP（圖2a）。此外，F(xiàn)SP能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金鑄件的缺陷修復(fù)，例如，對(duì)于Mg-Nd-Zn-Zr鑄件的10mm深縮松區(qū)，F(xiàn)SP修復(fù)后強(qiáng)度和塑性均高于無(wú)缺陷母材。
，對(duì)擴(kuò)散距離d所需擴(kuò)散時(shí)間為：
。對(duì)于晶粒尺寸100 m的鑄造鎂合金，在415oC常規(guī)固溶溫度下完成擴(kuò)散所需時(shí)間為37 h，這與Mg-Al合金的常規(guī)固溶處理時(shí)間一致。在FSP過(guò)程中，劇烈塑性變形明顯細(xì)化晶粒、破碎第二相粒子，使擴(kuò)散距離顯著縮短。假定晶粒尺寸為1 m，則擴(kuò)散時(shí)間僅為13 s。此外，劇烈塑性變形使元素由體擴(kuò)散為主轉(zhuǎn)為沿位錯(cuò)的管擴(kuò)散為主，擴(kuò)散速率增大1000倍，對(duì)同樣距離，擴(kuò)散時(shí)間將縮短1000倍。因此，在FSP十幾秒的瞬間高溫下完成粗大第二相的溶解是完全可能的。此外，他們對(duì)鎂合金FSP過(guò)程中的變形機(jī)制進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于預(yù)固溶+FSP制備的AZ80樣品，連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主要再結(jié)晶機(jī)制，同時(shí)孿生機(jī)制也發(fā)揮重要作用；而對(duì)于兩道次FSP樣品，由于一道次FSP后晶粒已明顯細(xì)化，第二道次FSP過(guò)程中孿生難以發(fā)生，因而再結(jié)晶機(jī)制為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
