钆对含有长周期堆垛有序结构和纳米层状结构的Mg-xGd-7Y-2Zn-1Mn合金力学性能的影响

《Journal of Rare Earths》：Influence of gadolinium on mechanical properties of Mg- xGd-7Y-2Zn-1Mn alloys containing long-period stacking ordered and nano-lamellar structures

Gd含量对Mg-7Y-2Zn-1Mn合金力学性能及机制研究。当Gd含量增至5wt%时，合金获得最佳综合力学性能（抗拉强度407MPa，屈服强度329MPa，延伸率10.9%）。强化机制包括固溶强化及晶界/纳米层状析出物处溶质偏析增强，同时Gd部分替代Y原子促进LPSO相形成，加速动态再结晶进程。但Gd含量过高（7wt%）导致纳米层状析出物减少，引发异常晶粒生长，而更高Gd含量（>7wt%）时Mg24(Gd,Y)Zn5颗粒析出可有效细化晶粒。

　　

罗玉伦|董志华|姜斌|李创明|秦阳|夏志宏|胡大勇|张昂|宋江峰|张定飞

中国重庆大学材料科学与工程学院镁合金国家工程研究中心，重庆，4000442

摘要

本研究探讨了Gd含量对含有长周期堆垛有序（LPSO）相的Mg-7Y-2Zn-1Mn（重量百分比）合金力学性能的影响及其背后的机制。添加Gd显著提高了合金的强度，这一强度起初随着Gd含量的增加而提高，随后略有下降。当Gd含量为5 wt%时，合金达到了最佳的力学性能：抗拉强度为407 MPa，屈服强度为329 MPa，伸长率为10.9%。强度的提升与固溶强化效应以及晶界和纳米层状沉淀物中溶质偏聚浓度的增加密切相关。Gd的加入导致Y原子部分替代了LPSO相中的原子，促进了LPSO相的形成，提高了Y元素在α-Mg基体中的溶解度，并增强了合金元素的共偏聚。LPSO相的增加加速了动态再结晶过程。然而，纳米层状沉淀物的减少减弱了其对晶界迁移的阻碍作用，因此在Gd含量为7 wt%时出现了异常的晶粒生长。而在更高Gd含量下，Mg₂₄(RE,Zn)₅颗粒的沉淀又促进了动态再结晶，使晶粒尺寸重新细化。这些研究进展有助于更好地理解含LPSO相镁合金的最佳成分设计。

引言

镁及其合金作为最轻的金属结构材料，由于其高比强度和高刚性，在汽车、航空航天和3C领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。然而，与传统钢材和铝合金相比，它们相对较低的强度和有限的成形性仍然是限制其广泛应用的关键因素[5]、[6]。最近，含有长周期堆垛有序（LPSO）相的Mg-RE（稀土）-Zn合金因其优异的力学性能而受到重视[7]。这些优异的力学性能主要归因于LPSO相及其对微观结构的影响[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。

合金化是调节LPSO相结构的有效手段，对力学性能有重要影响[8]、[9]、[10]、[11]、[15]、[16]。稀土元素如Gd和Y具有显著的固溶强化效应[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]，常用于含LPSO相的镁合金中[23]。此外，Gd和Y还能影响堆垛错能，促进LPSO相的形成[24]。然而，在Mg-Gd-Y-Zn合金中，Gd添加对LPSO相的影响较为复杂，这可能与RE/Zn或Gd/Y的原子比例有关。在总RE（Gd,Y）含量固定的情况下，增加（Gd,Y）/Zn的比例会抑制LPSO相的形成，同时促进共晶Mg（Gd,Y）相的沉淀[15]；而在RE含量固定的情况下，减少Gd含量则有利于LPSO相的形成[25]。相反，在Y和Zn添加量不变的情况下，增加Gd含量（低于0.5 wt%）会促进LPSO相的形成[26]、[27]。值得注意的是，增加合金元素（RE和Zn）的总含量可能导致LPSO相的显著粗化[15]。LPSO相的结构还受（Gd,Y）/Zn原子比例的影响：降低RE/Zn原子比例可促进LPSO相前驱体γ’沉淀物及18R-LPSO相向14H-LPSO相的转变[15]。因此，要获得理想的含LPSO相镁合金微观结构，需要精心优化合金成分。

Gd的添加对镁合金的微观结构和力学性能具有关键影响。作为有效的强化相，LPSO相通过其固有特性（如Mg/LPSO相干界面和较高的弹性模量[8]、[9]、[10]、[11]）显著改善了镁合金的力学性能。此外，由γ’沉淀物和纳米14H-LPSO相组成的纳米层状沉淀物也通过堆垛错强化机制增强了镁合金的强度[28]。研究表明，由于元素偏聚作用，它们的强化效果比普通堆垛错（SFs）更显著[29]、[30]。然而，脆性的共晶Mg（Gd,Y）相的形成会显著恶化镁合金的力学性能[15]。此外，相组成还会显著影响热挤压过程中的动态再结晶（DRX）行为。LPSO相比共晶相更有利于促进DRX过程，从而形成更均匀的微观结构[15]。调节层状LPSO结构的比例可以决定双模态结构的形成或完全再结晶晶粒的形成[8]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，目前对Gd对相变（尤其是LPSO相和纳米层状沉淀物）的影响机制及其对力学性能的影响机制的理解仍不够深入。

本研究探讨了Gd含量对含有LPSO相的Mg-7Y-2Zn-1Mn合金力学性能的影响，该合金在我们之前的研究中表现出最佳的综合性力学性能[31]、[32]。通过多尺度微观结构分析并结合主要强化机制的定量评估，阐明了其影响机制。研究表明，固溶强化效应以及晶界和纳米层状沉淀物中溶质偏聚浓度的增加是Gd含量增加后Mg-xGd-7Y-2Zn-1Mn合金力学性能提升的主要原因。

材料制备

在SF₆和CO₂保护气氛下，使用电炉将纯Mg（99.95%）、Zn（99.95%）以及Mg-30Gd、Mg-30Y和Mg-10Mn母合金在720 °C下熔化，制备了Mg-xGd-7Y-2Zn-1Mn（x=0, 1, 3, 5, 7, 10，重量百分比）合金。随后将这些合金用水冷却至室温。通过电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES）测定了合金的实际化学成分。

Gd对力学性能的影响

图1显示了挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的典型工程应力-应变曲线及其在室温下的相应力学性能。显然，添加Gd能有效提高挤压态Mg-7Y-2Zn-1Mn合金的力学性能。随着Gd含量的增加，合金的屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）起初增加，随后略有下降，而伸长率则不同程度地降低。

不同强化机制对强度提升的贡献

Gd的添加可以有效改善Mg-7Y-2Zn-1Mn合金的力学性能。屈服强度起初随着Gd含量的增加而提高，随后略有下降。为了理解Gd元素对强度的影响机制，评估了不同强化机制对屈服强度的贡献。基于再结晶（DRX）和未再结晶晶粒的混合微观结构，采用以下公式计算YS：$$其中f_DRX和f_unDRX分别表示...

结论

本研究探讨了Gd含量对Mg-xGd-7Y-2Zn-1Mn合金（x= 0, 1, 3, 5, 7, 10，重量百分比）力学性能的影响及其背后的机制。主要研究结果总结如下：

(1)

添加Gd可以提高Mg-7Y-2Zn-1Mn合金的抗拉强度。抗拉强度起初随着Gd含量的增加而提高，随后略有下降。最佳的综合力学性能表现为抗拉强度为407 MPa...

未引用参考文献

[39]。

利益冲突声明

? 作者声明他们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。