《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and mechanical properties of Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr alloy: Effects of squeeze casting on structures (SFs vs. SFs/LPSO) and mechanical properties in comparison with permanent mold casting
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squeeze casting制备的Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr合金在铸态、T4和T6态下微观结构与力学性能优于永久模铸造合金，主要因前者晶粒更细、脆性相更少，经热处理后形成致密β'析出相，实现高强度与良好塑性平衡。
常志宇|吴玉娟|王国标|任旭凯|陈贤峰|于焕伟|杜希勇|廖岚|刘宝亮|彭立明
淮阴工业大学机械与材料工程学院，中国淮安223003
摘要
研究了通过挤压铸造制备的Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr（重量百分比）合金在铸态、T4和T6状态下的微观结构及力学性能，并与永久模具铸造合金进行了比较。这两种合金均含有Mg3(Gd,Y,Zn)和少量的Mg5(Gd,Y,Zn)共晶相。挤压铸造合金的晶粒更细小，夹杂物（SFs）较少，而永久模具铸造合金则形成了18R-LPSO结构。固溶处理将两种合金中的共晶相转化为块状X相和14H-LPSO结构，时效处理后两种合金中都产生了大量的β'时效沉淀物。挤压铸造合金在铸态、T4和T6状态下的拉伸性能均优于永久模具铸造合金，这主要归因于其细小的晶粒、细小的共晶相以及较少的铸造缺陷。除了晶界强化外，T4处理后合金强度和塑性的提高还得益于脆性共晶相的转变/溶解、固溶强化和LPSO强化。T6处理后的挤压铸造合金实现了良好的强度-塑性平衡，具有较高的强度（抗拉强度：357±11 MPa，屈服强度：255±18 MPa）和适中的伸长率（4.0±2.0%），这主要得益于有效的沉淀强化作用。
引言
镁（Mg）合金是最轻的金属结构材料，通常具有较高的比强度、比刚度、优异的阻尼特性和电磁屏蔽性能等特性[1]、[2]、[3]、[4]，这使得它们在轻量化节能策略中具有很大的应用潜力。然而，这类低密度结构金属的应用往往受到其固有的低机械强度和较差韧性的限制[4]、[5]、[6]。因此，开发高强度和良好塑性的镁合金至关重要。开发高性能合金材料通常有两种方法：一种是优化合金成分，另一种是改进制备和热处理工艺[3]、[7]。
从合金化的角度来看，添加稀土（RE）元素Gd和Y可以产生显著的固溶强化和沉淀硬化效应[8]、[9]、[10]，同时引入Zn可以进一步提高合金的强度和韧性[11]、[12]、[13]、[14]。此外，将Zr引入Mg-RE合金中可以显著细化晶粒[15]、[16]、[17]。因此，Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列合金被认为是具有良好塑性的高强度镁合金的有希望的候选材料。然而，这类含有重稀土元素Gd和Y的镁合金通常采用传统的重力铸造方法制造，这种方法效率低下且容易产生铸造缺陷[18]、[19]。尽管高压压铸具有高效和低成本的优势[7]、[20]，但压铸件容易产生气孔并导致其力学性能下降，且不允许进行固溶热处理[21]、[22]、[23]。相比之下，挤压铸造是一种制造高完整性和高性能零件的有前景的技术。挤压铸造具有许多优点，如：（1）显著减少气体夹杂和凝固收缩；（2）限制宏观溶质偏析和热裂倾向；（3）提高铸件的冷却速率并细化合金晶粒；（4）接近净成形，表面质量高且可进行热处理[24]、[25]、[26]、[27]。
近年来，关于Mg-RE合金挤压铸造的研究有所增加。袁等人[28]报道了通过挤压铸造制备的Mg-9Gd-1Y-0.5Zr（重量百分比）合金活塞的蠕变行为。王等人[19]、[29]系统研究了施加压力、浇注温度和热处理对挤压铸造的Mg-10Gd-3Y-0.5Zr（重量百分比）合金微观结构和力学性能的影响。赵等人[18]研究了施加压力对挤压铸造的Mg-15Gd-1Zn-0.4Zr（重量百分比）合金微观结构的影响。然而，目前文献中关于挤压铸造的Mg-Gd-Y-Zn-Zr系列合金的研究较少。因此，本文旨在研究通过挤压铸造制备的Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr（重量百分比）合金的微观结构和力学性能，并与永久模具铸造合金进行比较。
材料与方法
采用商业纯度的Mg（99.95%）、Zn（99.99%）、Mg-87 wt.% Gd、Mg-30 wt.% Y和Mg-30 wt.% Zr母合金，在CO2（99体积%）和SF6（1体积%）的保护气体气氛下，通过电阻炉熔化制备了名义组成为Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr（GWZ931K，重量百分比）的合金。熔化后，将熔体冷却至700℃并保持20分钟以沉淀flux夹杂物并均匀化熔体成分，然后将其转移到预热至200°C的圆柱形模具中进行挤压铸造。
铸态合金的微观结构
图1显示了通过永久模具铸造和挤压铸造制备的GWZ931K合金的OM图像。可以看出，这两种合金主要由共晶相和α-Mg组成，根据现有文献[30]、[31]，共晶相很可能是Mg3Gd型。与挤压铸造合金相比，永久模具铸造合金的晶粒和共晶相尺寸更大。值得注意的是，永久模具铸造合金中分布着大量的层错（SFs）。
结论
对通过永久模具铸造和挤压铸造制备的具有LPSO/SFs结构的GWZ931K合金的微观结构和力学性能进行了系统的比较研究。主要研究结果总结如下：
1.挤压铸造和永久模具铸造合金的共晶相均为Mg3(Gd,Y,Zn)，以及少量的Mg5(Gd,Y,Zn)。挤压铸造合金的冷却速率更高，因此其晶粒更细小，夹杂物（SFs）较少。
作者贡献声明
王国标：指导、撰写 – 审稿与编辑。常志宇：概念构思、形式分析、实验研究、方法设计、初稿撰写 – 审稿与编辑。吴玉娟：资金筹集、指导、验证、撰写 – 审稿与编辑。杜希勇：指导、撰写 – 审稿与编辑。于焕伟：撰写 – 审稿与编辑、指导。陈贤峰：撰写 – 审稿与编辑。任旭凯：撰写 – 审稿与编辑。彭立明：资金筹集、项目协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2021YFB3701000）、中国博士后科学基金（项目编号2024M762349）和中国国家自然科学基金（项目编号U21A2047）的支持。
