通过La2O3与Mg氧化还原反应向电弧定向能量沉积Mg-Nd-Zn-Zr合金中引入La元素实现强塑性协同提升

《Journal of Magnesium and Alloys》：Achieving strength-ductility synergy in Mg-Nd-Zn-Zr alloy fabricated by wire-arc directed energy deposition: La element addition via redox reaction of La 2O 3 and Mg

本文推荐一项针对镁稀土（Mg-RE）合金在航空航天领域应用受限于强度-塑性权衡问题的创新研究。作者通过在线材表面涂覆La2O3颗粒，利用电弧定向能量沉积（WA-DED）技术过程中的高温引发La2O3与Mg的氧化还原反应（3Mg+La2O3→2La+3MgO），成功将La元素引入Mg-Nd-Zn-Zr合金。研究发现，添加8% La2O3的沉积态（AD）样品展现出最佳的强塑性匹配（抗拉强度UTS 243.38 MPa，屈服强度YS 141.81 MPa，延伸率EL 22.15%）；经T6热处理后，性能进一步提升（UTS 334.71 MPa，YS 222.08 MPa，EL 19.36%）。该研究为通过原位稀土强化策略优化WA-DED制备Mg-RE合金的力学性能提供了新途径。

　　

镁合金，作为最轻的金属结构材料之一，凭借其低密度和高比强度的优势，在追求轻量化的航空航天领域备受青睐。然而，传统的镁合金往往面临强度与塑性难以兼得的困境，即所谓的“强度-塑性权衡”难题，这极大地限制了其广泛应用。特别是镁稀土（Mg-RE）合金，虽然通过添加稀土元素能显著提升强度和耐热性，但这一矛盾依然突出。此外，传统制造技术难以满足大型复杂镁合金结构件的制备需求。增材制造（AM）技术，特别是电弧定向能量沉积（WA-DED），以其设备简单、沉积效率高的特点，为直接制造镁合金构件提供了新的解决方案。在众多Mg-RE合金中，Mg-Nd-Zn-Zr合金因其优异的室温和高温（可达250°C）性能而显示出巨大应用潜力。但如何通过工艺创新进一步优化其强塑性配合，仍是当前研究的热点。

在此背景下，一项发表于《Journal of Magnesium and Alloys》的研究提出了一种巧妙的原位合金化策略。研究人员旨在解决WA-DED制备的Mg-Nd-Zn-Zr合金的强塑性协同问题。他们创新性地在镁合金填充焊丝表面涂覆不同质量百分比（4%, 8%, 12%）的La₂O₃（氧化镧）颗粒悬浮液。在WA-DED过程的高温电弧环境下（模拟显示脉冲电流时最高温度可达12864.2 K），La₂O₃与液态镁发生氧化还原反应（3Mg + La₂O₃→ 2La + 3MgO），从而将La元素引入合金熔池中，而非仅仅依赖La₂O₃颗粒作为异质形核点或颗粒增强体。

研究结果表明，这种方法成功地实现了La元素的掺入。通过调控La₂O₃的添加量，可以优化合金的微观结构和力学性能。其中，涂覆8% La₂O₃的样品表现最为出色。沉积态（AD）样品获得了细化的等轴晶组织。经过T6热处理（500°C固溶10小时后水淬，再200°C时效20小时）后，合金的性能得到进一步优化。在室温下，8% La₂O₃的T6态样品展现了优异的强塑性组合，其抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率（EL）分别达到334.71 MPa, 222.08 MPa, 和19.36%。在250°C高温下，其抗拉强度仍能保持室温强度的66.21%，而延伸率反而提升了4.81%，显示出良好的高温性能。

为开展研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：采用钨极惰性气体保护焊（TIG）为基础的WA-DED系统制备薄壁构件；通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等手段系统表征了样品的微观结构（包括晶粒尺寸、取向、相组成等）；利用维氏显微硬度仪和室温/高温拉伸试验评估了样品的力学性能；并通过高速摄像观察了熔池动态行为。

微观结构表征

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  沉积态合金的微观结构：所有沉积态样品均由细小的等轴晶和晶界共晶相组成。随着涂覆La₂O₃含量的增加，熔池表面氧化物形态从稀疏的氧化膜演变为致密的氧化物颗粒。EBSD分析显示晶粒取向随机，织构强度较低。8% La₂O₃样品的平均晶粒尺寸最小（8.92 μm）。EDS和TEM分析证实La元素成功通过氧化还原反应引入，并主要偏聚于共晶相中，形成Mg₁₂(Nd, La)Zn相。此外，还观察到一些包含氧化物、富Zr颗粒和小尺寸共晶相的不规则簇团。
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  T6热处理后合金的微观结构：T6热处理后，样品仍保持等轴晶结构，未发生显著晶粒长大。大部分共晶相溶解入α-Mg基体，晶界处残留点状或块状共晶相。不规则簇团在热处理后依然存在。TEM观察发现T6态样品中存在致密的针状γ₁相（Zn₂Zr₃）和片层状β‘相。La元素被并入γ₁和β’相中，影响了析出相的形成。

力学性能

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  显微硬度分布显示，T6热处理后样品的硬度显著提高。8% La₂O₃的T6态样品硬度略优。
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  室温拉伸性能表明，8% La₂O₃的沉积态和T6态样品均具有最佳的强塑性协同效应。
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  高温（250°C）拉伸性能显示，沉积态样品的强度随La₂O₃含量增加而增加，塑性在8% La₂O₃样品最佳。T6热处理后，高温强度提高，塑性有所下降，但8% La₂O₃的T6态样品仍保持较好的综合性能。
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  断口分析表明，室温下断裂模式为穿晶和沿晶混合断裂，高温下则以穿晶断裂为主，并观察到Portevin-Le Chatelier（PLC）效应（锯齿流变行为）。

强化与断裂机制

研究对强化和断裂机制进行了深入探讨。沉积态样品的强化主要源于本征晶格摩擦应力（约100 MPa）和晶界强化。共晶相在承载初期会阻碍位错运动，但其本身较脆，易在应力集中处开裂成为裂纹源，反而加速失效，因此其强化贡献有限。T6热处理后，析出强化成为主导机制。研究发现，位错与析出相（如γ₁相和β₁相）的相互作用存在两种机制：对于γ₁相，位错直接切割（切割机制）；对于在γ₁/Mg界面析出的β₁相，位错则绕过（Orowan绕过机制）。因此，T6态样品的强化是位错切割机制和位错绕过机制共同作用的复合强化机制。

结论与意义

本研究成功通过WA-DED过程中的氧化还原反应将La元素引入Mg-Nd-Zn-Zr合金，有效改善了合金的强塑性协同效应。最佳工艺参数为涂覆8%的La₂O₃，结合T6热处理，使合金在室温和高温下均获得了优异的力学性能。该研究的意义在于：1） 开发了一种通过原位稀土强化来改善WA-DED制备Mg-RE合金性能的简单有效方法；2） 阐明了La元素通过氧化还原反应掺入合金、影响微观结构演变（如形成Mg₁₂(Nd, La)Zn相）及其在热处理过程中的再分布规律；3） 揭示了在该合金体系中，T6态下的主要强化机制是位错切割和位错绕过的复合机制；4） 为通过调控稀土元素添加来设计和制备高性能WA-DED镁稀土合金组件提供了重要的理论和实验依据。这项工作对推动镁合金在航空航天等高端装备领域的应用具有积极意义。