通过超声波熔体处理提高Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的微观结构完整性和抗拉强度

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhancing microstructure integrity and tensile strength of Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys via ultrasonic melt treatment

研究系统考察了超声功率（0、1000、1500、2000 W）对Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.7Zn合金微观结构与力学性能的影响。结果表明超声处理显著细化α-Mg晶粒至26.07 μm，促进Mg5(Gd,Y,Zn)相和18R-LPSO相形成，降低层错能。2000 W时综合力学性能最优，屈服强度、抗拉强度及延伸率均显著提升。

　　

郝忠|熊波东|魏阳|薛毅王|陶旭|马志军|杨忠

西安工业大学材料与化学工程学院，中国西安710021

摘要

本研究系统地探讨了超声波熔体处理（UST）功率水平（0、1000、1500和2000瓦）对Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.7Zn合金微观结构演变和力学性能的影响。结果表明，UST显著细化了α-Mg晶粒尺寸，在1500瓦时达到了最小的平均晶粒尺寸26.07微米。这种细化主要归因于空化作用和声流效应，它们增强了异质形核过程。此外，UST促进了Mg₅(Gd, Y, Zn)相和长周期堆垛有序（LPSO）相的析出，使Mg₅(Gd, Y, Zn)相从蠕虫状形态转变为中空网络状结构。在0和1000瓦的UST功率下，合金中的针状结构主要包含堆垛缺陷；在1500瓦时，这些结构转变为18R-LPSO相；而在2000瓦时，大多数次要相转化为14H和18R-LPSO相的共生长结构。LPSO相的形成主要是由于UST降低了合金内的堆垛缺陷能。此外，UST显著提高了25°C下的屈服强度、抗拉强度和延伸率，其中2000瓦时获得了最佳的力学性能。这些发现表明UST在提高合金的结构完整性和力学性能方面具有显著效果，为高性能应用中的先进Mg合金提供了巨大潜力。

引言

Mg合金是最轻的金属结构材料之一，在汽车、航空航天和电子领域等对重量敏感的应用中具有巨大的潜力[1]、[2]、[3]、[4]。特别是基于Mg和稀土（RE）的合金，如Mg-Gd-Y-Zn-Zr体系，由于其优异的力学性能而受到了广泛关注，这主要归功于复杂强化相的形成，包括长周期堆垛有序（LPSO）结构[5]、[6]、[7]。这些LPSO结构不仅提高了合金的强度和抗蠕变能力，还增强了热稳定性和耐腐蚀性[8]、[9]、[10]。然而，实现最佳的微观结构细化和LPSO相的分布控制仍然是充分发挥这些合金性能潜力的关键挑战。

传统的热机械加工技术，如挤压和轧制，已被广泛用于调控微观结构和LPSO相的形态[11]、[12]、[13]、[14]。然而，这些方法往往导致相分布不均匀，或者需要较高的加工温度和大量的变形，限制了其工业可扩展性和效率[15]、[16]、[17]。此外，关于加工过程中LPSO结构形成和细化的机制仍不够清楚[18]、[19]，这突显了需要一种高效、低能耗的加工技术，能够同时细化微观结构并控制Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中LPSO结构的演变。

超声波熔体处理（UST）作为一种非接触式方法，利用声空化和声流效应来增强形核动力学并抑制元素偏析[20]、[21]、[22]，已成为控制金属系统微观结构的有前景的技术。通过高强度的声空化和声流效应，超声波能量可以促进晶粒细化，改善溶质分布，并影响凝固过程中的相形成[23]、[24]。在超声处理过程中，空化产生的冲击波会破坏树枝晶结构，而声流效应则使溶质分布均匀化，从而协同细化铸态微观结构[25]。最近对金属材料的研究表明，对Cu、Al、Ti和Mg合金进行超声处理可以显著改善其微观结构并提高成分均匀性，这被认为是一种近乎完美的强度-延展性协同策略[26]、[27]、[28]。Xin Tong等人[29]报告称，UST细化了Mg-8Gd合金的微观结构并显著提高了其强度。此外，UST还提高了熔体的温度均匀性，使Gd含量均匀化，减少了沿熔体高度的力学性能差异。Z. Hu等人[30]观察到，通过超声处理，Mg-Al-Zn-Sm合金中的粗大Al₂Sm相可以转变为分散的细小颗粒。相比之下，Zhao等人[31]发现，在超声振动下，棒状MgAlCeMn相转变为细小的球形颗粒。同样，Xiong Yang等人[32]观察到，UST显著细化并均匀分布了Mg-Ni-Y合金中的次要相，尤其是LPSO结构。尽管先前的研究已经证明了超声处理对轻合金微观结构的普遍细化作用，但其对Mg-Gd-Y-Zn-Zr体系中LPSO结构形态、分布和演变的具体影响尚未得到系统研究。

本研究探讨了不同UST功率水平对Mg-9Gd-3Y-1.2Zr-0.5Zn合金微观结构（特别是LPSO演变）和拉伸性能的影响，并研究了这些变化的根本机制。本研究建立了超声处理参数与微观结构演变之间的明确关系，为先进Mg合金中强化相的可控形成提供了新的见解。

实验程序

Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.7Zn合金采用高纯度Mg（99.9%重量%）、Zn（99.9%重量%）以及含有30%重量% Gd、10%重量% Y和30%重量% Zn的Mg基母合金制备。元素按预定的合金成分比例混合。合金在电磁感应炉中于720°C熔化并保持15分钟。脱气的液态金属随后倒入预热至300°C的金属模具中（尺寸为380毫米×110毫米×165毫米）。

热力学计算

图2展示了使用JMatPro软件进行的热力学模拟结果，揭示了Mg-9Gd-3Y-0.5Zn合金在Scheil-Gulliver凝固条件下的微观结构演变。图2(a)显示了Mg-9Gd-3Y-0.5Zn合金在Scheil-Gulliver凝固过程中平衡相重量百分比与温度的关系。合金元素Mg、Gd、Y、Zr和Zn在凝固过程中可能形成α-Mg、LPSO、α-Zr、Mg₂₄Y₅和Mg₅Gd相。

结论

本研究系统地探讨了室温下UST功率对Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.7Zn合金微观结构和力学性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  经过UST处理后，Mg-9Gd-3Y-0.5Zr-0.7Zn合金中的α-Mg晶粒尺寸显著减小。随着超声功率从0增加到2000瓦，α-Mg晶粒尺寸先显著减小，随后略有增加。在1500瓦时达到了最小的平均α-Mg晶粒尺寸26.07微米。
• (2)
  随着超声功率的

作者贡献声明

杨忠：监督。 马志军：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿。 陶旭：资源准备，方法论。 薛毅王：正式分析。 魏阳：监督，正式分析。 熊波东：写作 – 初稿撰写，概念构思。 郝忠：方法论，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

我们感谢陕西铁路研究院的旁路耦合电弧MIG高速焊接系统和技术（22019-86-84）、铝镁轻合金复合材料创新团队（KJTD202302），以及高性能铝合金复合材料工业化关键技术及应用项目（编号2023-LL-QY－33）。同时感谢Editage（www.editage.cn）提供的英语语言编辑服务。