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高镁Al-7.5Mg-0.5Mn-0.18Y-xGd合金通过钇-镝共微合金化和两步热处理（320℃×24h+450℃×24h），在最佳镝含量0.35 wt.%时形成纳米级Mn?Gd和Al?(Y,Gd)双尺度析出相，结合Al?Mn?(Gd,Y)微米级颗粒，实现抗拉强度298 MPa与延伸率16%的协同优化。
孟玉琪|赵彦军|李能文|曾洋|赵燕|戴洪卓|何淑辉|庞汉平|李伟
广西大学资源环境与材料学院，南宁530004，中国
摘要
高镁铝合金容易发生严重的树枝晶偏析，并形成脆性的β-Al3Mg2相，这限制了它们的结构应用。在本研究中，设计了一系列Al–7.5Mg–0.5Mn–0.18Y–xGd合金（x = 0.08–1.00 wt.%），以阐明Gd在相变和沉淀强化中的作用。XRD和SEM/EDS分析表明，两步均匀化处理（320 ℃ × 24 h + 450 ℃ × 24 h）能有效溶解亚稳态的Mg/Mn含相，同时保留热稳定的稀土金属间化合物。在最佳Gd含量0.35 wt.%时，形成了层次化的双尺度微观结构，由纳米级的Mn2Gd和Al3(Y, Gd)分散体以及微米级的Al8Mn4(Gd, Y)颗粒组成。高分辨率TEM显示纳米级沉淀物与α-Al基体之间存在半相干界面，并伴有明显的位错-沉淀物相互作用，表明分散强化和界面强化起主导作用。因此，经过均匀化处理后，该合金表现出最佳的强度-延展性组合，达到了约298 MPa的极限抗拉强度和约16%的延伸率。相比之下，低Gd含量时纳米级沉淀不足，以及高Gd含量（≥0.75 wt.%）时形成粗大的富Gd金属间化合物，会恶化机械性能。这些发现表明，通过控制Gd的添加，并与Y和Mn协同作用，可以有效地稳定高镁铝合金并通过双尺度稀土沉淀提高其机械性能。
引言
高镁铝合金由于其低密度、良好的铸造性能和有利的强度-重量比，在海洋和 offshore 工程领域得到广泛应用，如船舶结构、 offshore 平台和轻质结构部件，以及铸造相关应用 [1]、[2]、[3]、[4]。在这些应用场景中，合金通常会暴露在富含氯化物的环境中，承受复杂的机械载荷，并且对强度和延展性有严格的要求。传统的锻造 Al-Mg 合金通常含有 <5 wt.% 的 Mg，其适中的强度限制了需要更高性能的应用 [7]。增加 Mg 含量可以有效增强固溶强化，每增加 1 wt.% Mg，强度可提高约 34 MPa [8]。因此，高镁合金（5–10 wt.% Mg）受到了越来越多的关注 [9]、[10]。然而，过量的 Mg 会促进严重的树枝晶偏析和脆性 β-Al3Mg2 相的沉淀，降低延展性并缩小加工窗口 [7]、[11]、[12]、[13]。因此，需要采取超出单纯添加 Mg 的策略来改善机械性能，同时避免增加脆性。
稀土（RE）微合金化已被证明可以有效细化晶粒、改变沉淀路径并抑制高镁铝合金中粗大的 β-Al3Mg2 相的形成 [14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。Sc、Y、Gd 和 Er 等元素可以促进热稳定的 L12/D011 型沉淀物的形成，从而提高强度和热稳定性 [20]、[21]、[22]、[23]、[24]。Sc 或 Sc–Zr 改性的 Al-Mg 合金通过 Al3(Sc, Zr) 沉淀和再结晶抑制作用，表现出优异的强度-延展性组合 [25]、[26]、[27]。然而，Sc/Zr 的成本较高 [28]，且在 Mg 含量超过约 5 wt.% 时效率降低 [29]、[30]，此外 Er 或 Y 在高添加量时容易形成粗大的金属间化合物 [8]、[15]，这限制了它们在高镁合金系统中的应用。
Y 和 Gd 最近被证明是具有成本效益的稀土改性剂 [25]、[31]、[32]、[33]、[34]。Y 的添加可以促进异质成核和微观结构的均匀化，提高延展性并降低热裂倾向 [15]、[32]、[35]、[36]。Gd 具有更强的固溶作用和与 Mn 的高亲和力，可以促进热稳定的含 Gd 金属间化合物的形成，如 Mn2Gd，从而细化 α-Al 晶粒并增强沉淀强化 [27]、[33]、[35]、[37]。更重要的是，初步研究表明，结合使用 Y 和 Gd 可产生协同效应：比 Sc/Zr 系统更好地细化晶粒、提高沉淀密度并减少稀土消耗 [35]、[38]。先前的研究还表明，Gd 添加量在约 0.1–1.0 wt.% 范围内可以有效促进 Al 合金中热稳定的稀土沉淀物形成，而过量的 Gd 则倾向于诱导粗大的金属间化合物形成并降低延展性 [27]、[32]、[35]、[38]。尽管取得了这些进展，但对 Gd–Y 共改性高镁 Al–Mg–Mn 合金的系统研究仍然有限。特别是在铸造具有复杂几何形状的 Al–Mg 合金时，容易发生与凝固相关的缺陷（如热裂）[39]、[40]、[41]，而通过传统沉淀硬化实现高强度往往会导致明显的脆化 [42]、[43]。更关键的是，Mn2Gd 沉淀物及其在凝固和随后的热处理过程中与 Al3(Y, Gd) 相的空间和化学关联仍不明确，这阻碍了高性能高镁铝合金的合理设计。
为了解决这些问题，本研究考察了不同 Gd 含量（0.08–1.00 wt.%）改性的 Al–7.5Mg–0.5Mn–0.18Y 基础合金。通过结合 XRD、SEM/EDS 和多尺度 TEM 分析，我们系统地阐明了：
(i) 两步均匀化过程中第二相的演变；
(ii) 层次化双尺度沉淀物（纳米级 Mn2Gd 和 Al3(Y, Gd)、微米级 Al8Mn4(Gd, Y) 的形成；
(iii) 实现平衡强度和延展性的最佳 Gd 含量。
这项工作揭示了一种稀土双尺度沉淀强化机制，并为设计低成本、高性能的高镁铝合金提供了新的见解。
材料制备
材料制备
通过电阻炉熔炼制备了一系列 Al–7.5Mg–0.5Mn–0.18Y–xGd 合金（x = 0.08, 0.15, 0.25, 0.35, 0.49, 0.75, 1.00 wt.%）。使用高纯度 Al（99.99 wt.%）和母合金 Al–10Mn、Al–20Mg、Al–10Y 和 Mg–20Gd 作为原料。Gd 含量故意从 0.08 变化到 1.0 wt.%，以覆盖从稀土微合金化无效到金属间化合物过量形成的范围，从而确定 Al–Mg–Mn–Y 合金系统中的最佳 Gd 水平。
均匀化设计的 DSC 分析
对铸态 Al–7.5Mg–0.5Mn–0.18Y–xGd 合金进行了差示扫描量热法（DSC）分析，以确定适当的均匀化温度范围，并避免后续热处理过程中的初始熔化。不同 Gd 含量合金的 DSC 曲线如图 2 所示。
如图 2 所示，所有合金在大约 526–637 ℃ 的温度范围内都显示出明显的吸热峰，这可归因于低熔点非平衡相的熔化。
讨论
在本研究中，Al3Y 和 Al3Gd 指的是通过晶体学鉴定的单一稀土三铝化物，而 Al3(Y, Gd) 则是通过 TEM–EDS 分析推断出的混合占据的三铝化物。在讨论成核或沉淀行为时，使用“Al–Y 富集沉淀物”这一术语以避免过度指定。
结论
本研究系统地研究了 Gd 添加对高镁 Al–7.5Mg–0.5Mn–0.18Y 合金的相组成、沉淀行为和机械性能的影响。主要结论如下：
(1)铸态合金含有 α-Al 和几种含稀土的金属间化合物，包括 Mn2Gd、Al3(Y, Gd) 和 Al8Mn4(Gd, Y)。经过两步均匀化处理后，亚稳态的 Al–Mg–Mn 相大部分溶解，而热稳定的
CRediT 作者贡献声明
何淑辉：方法论研究、实验研究。庞汉平：实验研究、概念化设计。赵燕：实验研究、概念化设计。戴洪卓：验证、监督。李能文：数据可视化、验证。曾洋：软件开发、实验研究。孟玉琪：初稿撰写、验证、方法论设计。赵彦军：初稿撰写、审稿与编辑、项目管理和资金申请。李伟：验证、监督。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：赵彦军报告称获得了广西大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了南宁市科学技术发展（20231026）、广西壮族自治区科学技术发展专项基金（项目编号 AD25069078）、国家自然科学基金（项目编号 51661004）、广西壮族自治区科技重大计划（项目编号 AA23073019）以及广西创新驱动发展基金（项目编号 GKAA18242003、GKAA17202011、GKZ14122001–3）的财政支持。
