《Vacuum》：Study on the rare earth phases, crystal textures and mechanical properties of pulsed laser welded Mg-5Al-2Gd-0.5Mn alloy weld
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本研究采用脉冲激光焊接技术，制备了Mg-5Al-2Gd-0.5Mn稀土镁合金焊接接头。微观分析显示，晶内形成亚微米级Al?Gd相，晶界处存在纳米级Al?Mn?Gd相，两者协同细化晶粒，显著提升接头强度和塑性，抗拉强度达263.5 MPa，断裂类型为延性断裂。
Bangfu Zhang|Xiaobin Zhang|Pengfei Zhao|Shuwang Bian|Kanglin Ke|Weifeng Xie
东北电力大学机械工程学院，吉林，132012，中国
摘要
由于镁合金焊接接头的强度和塑性相对较低，稀土（RE）元素可以增强镁合金的强度和塑性。基于此，开发了一种轧制状态的Mg-5Al-2Gd-0.5Mn稀土镁合金，并使用脉冲激光焊接技术进行了焊接。研究结果表明，其抗拉强度高达263.5 MPa，断裂类型为韧性断裂。在晶粒内部，主要相为亚微米级的Al2Gd相；在晶界附近，主要为纳米级的Al8Mn4Gd相；而在晶界处，这两种相共存。在稀土（RE）相的生长过程中，晶内RE相作为异质形核位点，晶界RE相吸收Mg17Al12相，在晶界处形成多晶相。它们的共同作用细化了晶粒。形成后，晶内RE相相互连接，产生强烈的钉扎效应，阻碍位错滑移，并为基体分担更多应力。同时，晶界处的RE相减少了杂质的偏聚，增强了晶界强度。
引言
随着汽车制造和航空航天工业的快速发展，金属材料的轻量化已成为研究的主流趋势。镁合金因其低密度、高比强度和良好的减震性能而成为商业市场上最轻的金属材料[[1], [2], [3], [4]]。然而，由于镁合金具有沸点低、导热率高、凝固收缩大和易氧化等不利特性，在焊接过程中容易产生气孔、合金元素蒸发和凝固裂纹等焊接缺陷[[5], [6], [7]]。为了解决这些问题，研究人员可以通过调整焊接参数和改变焊接方法来获得无缺陷的镁合金焊接接头。例如，赵等人在研究脉冲激光焊接镁合金的焊接缺陷时，探讨了预热温度和脉冲波形对凝固裂纹、气孔和咬边的影响。当预热温度为200°C时，凝固裂纹和气孔消失，咬边深度降至最小值0.04 mm；将熔池在熔点温度630°C以上的持续时间从9秒延长到12秒，从而降低了干涉、咬边等焊接缺陷的敏感性，改善了激光焊接接头的表面形态。Vysko?等人研究了在1.2、1.6和2 kW激光输出功率下AZ31B镁合金的激光焊接效果，结果显示最低激光输出功率下的焊接接头具有最高的显微硬度、极限抗拉强度和屈服强度，接头效率接近90%。侯等人研究了不同焊丝成分对Mg-Gd-Y修复焊微观组织和力学性能的影响，发现Zr在Mg-6Gd-3Y-0.5Zr（VW63K）焊丝中促进了熔合区（FZ）的晶粒细化，且在500°C下保持6小时后，VW63K的FZ具有良好的热稳定性，Zr颗粒阻止了晶界的迁移。在T4和T6条件下，VW63K焊区的接头效率分别为127.64%，焊接质量分别为121.61%、94.92%和91.67%，极限抗拉强度可达160 MPa[[8], [9], [10], [11]]。尽管在上述研究中获得了无缺陷的焊接接头，但其抗拉断裂方式为脆性断裂，导致抗拉强度较低。这已成为阻碍镁合金焊接技术发展的主要障碍。
力学性能的变化主要取决于微观组织的组成。许多学者的研究表明，镁合金焊接接头的力学性能较差，主要原因是焊接过程中在晶界附近形成了连续的低熔点共晶脆性相Mg17Al12[4]。例如，娄等人对AZ91D镁合金进行了真空电子束焊接，重新固化的共晶相Mg17Al12与部分熔化的α-Mg相混合，呈现网络分布，具有最高的硬度。Srinivasan等人分别使用传统GTA焊接、脉冲GTA焊接和AC/DC混合脉冲焊接对AZ31B镁合金进行了研究，与传统GTA焊接相比，脉冲GTA焊接的所有接头均无缺陷，而AC/DC混合脉冲焊接可以获得无缺陷的浅层穿透焊缝，金属晶粒细腻。一些研究表明，向镁合金中添加稀土元素可以形成稀土相，从而改善其力学性能。例如，何等人研究了Gd含量（0、2、4、7 wt%）对挤压Mg-xGd-0.5Mn合金（GMx0）微观组织和力学性能的影响。不含Gd的GM00合金形成典型的基体纤维纹理（BFT），其力学性能与纯镁合金相似；但随着Gd元素的适量添加，稀土纹理显著提高了塑性。随着Gd含量的增加，纹理从稀土纹理变为基体纤维纹理，塑性降低，抗拉屈服强度提高，这是溶质硬化、纹理硬化和第二相硬化的综合效应。杨等人通过改进的晶格旋转分析方法统计分析了Mg-xGd合金中的滑移和孪生行为，定量阐明了Gd提高镁合金塑性的机制。Mg-Gd合金高塑性的主要原因是晶粒尺寸减小、基体纹理减弱、基体滑移相对于非基体滑移的各向异性降低以及孪生行为的延迟。马等人采用旋转板轧制（RHPR）方法制备了Mg?8Al?0.5Zn?0.8Ce（wt.%，AZ 80-0.8Ce）稀土镁合金，具有较高的强度-塑性协同效应，其屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和断裂伸长率（EF）分别为1.308 MPa、1.360 MPa和1.138%。结果表明，高YS主要来自晶界强化。LABs在镁合金的强化和抗拉变形过程中起着重要作用，从而实现了镁合金的高强度和高抗拉变形能力。陈等人使用光纤激光焊接技术焊接了含Ce的0.7 mm厚镁合金板，发现传统合金元素组成的金属间化合物在焊接热循环中转变为珊瑚状结构，而含稀土元素的金属间化合物的形态和分布几乎不变。在拉伸载荷下，接头中的珊瑚状沉淀物边界出现裂纹；无论是传统元素还是含稀土元素的金属间化合物，在熔合区（FZ）都断裂成微米级细颗粒，从而提高了FZ的强度[[14], [15], [16], [17]]。尽管关于铸态和挤压态镁合金的微观组织和力学性能的研究已经取得了丰富成果，但稀土镁合金在焊接领域的研究仍处于起步阶段。
因此，本文研究了稀土第二相与稀土镁合金焊接后力学性能之间的关系。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱仪（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），深入探讨了不同焊接区域中稀土元素对第二相的纹理、形态和分布的影响，重点研究了稀土相如何在焊接过程中提高接头的抗拉强度。最后，通过分析断裂表面的第二相，验证了这种稀土镁合金焊接后的性能提升。
实验材料与方法
本研究使用了Gd含量为1.762 wt%的Mg-5Al-2Gd-0.5Mn镁合金，其元素组成见表1。Gd含量的选择基于之前关于稀土镁合金填充焊接的实验，这些实验重点关注力学性能[18]。首先，将铸造的稀土镁合金通过线切割技术加工成1.5 mm厚的板材，然后进行三次热轧至1 mm厚，之后进行切割。
基体金属微观组织和接头形态分析
图3（a）显示了基体区域的SEM图像和选定区域的EDS图像，图3（b）展示了焊接区域的STEM图像和EDS图像。图中白色长条和块状区域表示稀土相的位置，元素分析显示这些区域富含Al、Mn和Gd元素。这些元素在基体中的尺寸范围为1至10 μm，在焊接区域中为100 nm至
结论
本文采用脉冲激光焊接制备了Mg-5Al-2Gd-0.5Mn稀土镁合金，通过改变焊接区域和观察尺度研究了焊接区域中稀土第二相的微观组织和形成机制，以及稀土第二相对镁合金的强化机制。这为通过调节微观组织来改善力学性能的工程制造问题提供了宝贵的理论基础。
作者贡献声明
Bangfu Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。Xiaobin Zhang：可视化处理、验证、监督。Pengfei Zhao：软件开发、资源管理、项目协调。Shuwang Bian：方法学设计、实验研究。Kanglin Ke：资金获取、数据分析。Weifeng Xie：数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了吉林省科学技术厅（编号：20240304198SF）的支持。
