Gd/Y微合金化对高镁含量Al-9.7Mg-0.4Mn合金动态再结晶和热变形行为的协同效应

《Materials Chemistry and Physics》：Synergistic effect of Gd/Y microalloying on dynamic recrystallization and hot deformation behavior of high-Mg contentAl-9.7Mg-0.4Mn alloy

高镁Al-Mg-Mn合金通过添加0.4 wt.% Gd和0.1 wt.% Y，形成纳米级Mn?Gd析出物和粗大AlMg(Gd,Y)/Al?Mn?(Gd,Y)相，显著提升320°C/0.1 s?1条件下的峰值流应力（+70 MPa）并细化动态再结晶（DRX）晶粒（最小3.2 μm）。研究揭示纳米相与粗相协同作用触发连续DRX、非连续DRX和颗粒刺激再结晶三种机制竞争，为优化稀土改性高镁合金热锻工艺提供理论支撑。

　　

赵彦军|刘子岩|彭茂|李能文|邓增新|戴洪卓|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

高镁含量的Al-Mg-Mn合金在冷变形过程中面临流动应力过高的挑战。本研究探讨了添加0.4 wt.% Gd和0.1 wt.% Y对Al-9.7Mg-0.4Mn合金热压缩性能的影响。研究结果表明，均匀分布的纳米级Mn₂Gd沉淀物使峰值流动应力显著提高了约70 MPa（在320°C/0.1 s^-1条件下），并细化了动态再结晶（DRX）晶粒。这些纳米相和粗晶相（AlMg(Gd,Y)、Al₈Mn₄(Gd,Y)）通过阻碍位错运动和增加应变储能，触发了三种竞争性的DRX机制：通过逐步的亚晶粒旋转在晶界处发生连续动态再结晶（CDRX）；通过晶界膨胀和形核发生不连续动态再结晶（DDRX）；在粗晶相（>1 μm）周围发生颗粒刺激形核（PSN）。本研究为改进稀土改性的高镁含量Al-Mg合金的热机械性能提供了理论指导，证明了Gd/Y共添加能够实现更好的微观结构控制。细化的DRX晶粒（最小尺寸3.2 μm）和开发的本构模型为优化用于轻量化汽车部件的稀土改性Al-Mg合金的热锻造提供了明确的方向。

引言

Al-Mg合金因其优异的性能而受到交通运输行业的青睐，包括轻质、高强度重量比以及出色的耐腐蚀性[1]、[2]、[3]。Mn通过形成连贯的Al₆Mn分散体并溶解到铝基体中，增强了这些合金的沉淀强化和固溶强化效果，同时通过溶质拖曳效应延缓了再结晶过程[4]、[5]、[6]、[7]。

添加Mg不仅降低了合金的密度，还通过增加溶解在铝基体中的Mg含量提高了其强度[8]、[9]。然而，当镁含量超过5%时，通常会形成β-Al₃Mg₂相，这增加了合金的应力开裂敏感性，从而降低了其机械性能[8]、[10]。因此，人们对用稀土元素进行微合金化产生了浓厚的兴趣。Zhang等人[11]通过添加Sc提高了Al-7Mg合金的性能。Shi等人[12]报告称，在铝合金中添加Gd后晶粒得到了显著细化。此外，Zhang等人[13]发现，在Al-Zr合金中添加Y显著加速了Al₃Zr沉淀的形成。Zhang等人[14]还指出，Gd和Y的共添加阻碍了Al-Zn合金在回复阶段的亚晶粒合并和扩展，从而大大抑制了铝基体内的再结晶。尽管已经广泛研究了Sc[11]和Gd[12]等单个合金元素的影响，但Gd和Y共添加对Al-Mg-Mn合金动态再结晶行为的综合影响仍不完全清楚。

动态再结晶在合金热变形过程中的微观结构演变中起着关键作用。通常，动态再结晶可以分为两种主要类型：连续动态再结晶（CDRX）和不连续动态再结晶（DDRX）。CDRX发生在亚晶粒逐渐旋转过程中，此时低角度晶界（LAGBs）逐渐转变为高角度晶界（HAGBs）[15]、[16]。相比之下，DDRX是通过在原有晶界处形核新晶粒并使其生长来实现的，通常在低堆垛错能（SFE）金属中占主导地位[17]、[18]。具体来说，颗粒刺激形核（PSN）发生在大于1 μm的第二相颗粒附近，从而促进晶粒细化[19]、[20]、[21]。此外，热变形在控制第二相的沉淀行为中起着至关重要的作用[22]、[23]、[24]。例如，Jiang等人[22]将Sc和Zr引入Al–6Mg合金中，发现高温和极低应变率的共同作用促进了Al₃(Sc,Zr)沉淀的粗化。同样，Yang等人[24]研究了Al–1.2Mg合金的热变形行为，发现提高应变率可以抑制Mg₂Si相的形成，促进Al (Fe,Mn)Si相的形成，并使沉淀物整体变得更粗。

本研究使用Gleeble–3500热模拟器对Al-9.7Mg-0.4Mn-0.4Gd-0.18Y合金在不同温度和应变率下进行了热压缩实验。研究了热压缩前后合金的沉淀行为及其对流变应力的影响，并分析了其再结晶行为。

实验材料

Al-9.7Mg-0.4Mn-0.4Gd-0.18Y合金是使用垂直电阻炉（SG2-7.5-10）制造的。首先在780 °C下将高纯度铝熔化在坩埚中，然后在750°C下依次加入Al-10Mn和Al-10Y母合金，接着在700°C下加入Al-20Mg和Mg-20Gd合金。经过搅拌、脱气、精炼和去除杂质后，浇铸出尺寸为Φ27 × 175 mm的圆柱形锭材。实验测得的合金成分如下：

真压缩应力-应变曲线

图2展示了实验合金在不同变形温度和应变率下的流动应力响应。初始变形阶段的特点是流动应力急剧增加，这是由于位错快速积累和相关的加工硬化引起的。随着变形的继续，应力-应变曲线表现出两种不同的演变趋势。在320 °C和0.1 s^-1的变形条件下，材料表现出应变硬化，达到峰值应力，然后

纳米级Mn₂Gd沉淀物的强化效应及其在热变形过程中的演变

图9显示了局部区域的细小第二相分布及相应的元素分布图。均质化的合金中含有大量均匀分布的细小第二相。这些颗粒主要为立方形态（图9(a)），平均等效直径为116 nm，体积分数为4.9%（图9(e)）。结合SAED和EDS分析发现，这些细小第二相均为Mn₂Gd相，这一发现得到了进一步确认

结论

本研究全面分析了Gd/Y微合金化对高镁含量Al-9.7Mg-0.4Mn合金热变形特性和DRX行为的影响。主要结果如下：

(1)

添加Gd/Y导致形成了异质的第二相，包括粗大的AlMg(Gd,Y)/Al₈Mn₄(Gd,Y)颗粒，更重要的是，形成了高密度的纳米级Mn₂Gd沉淀物。这些纳米级沉淀物有效阻碍了位错运动，从而显著

CRediT作者贡献声明

庞汉平：研究、概念化。李伟：验证、资源准备。邓增新：可视化、验证。戴洪卓：验证、软件应用。赵彦军：撰写——审稿与编辑、资源准备。刘子岩：软件应用、研究。彭茂：撰写——初稿、方法论。李能文：验证、软件应用

利益冲突声明

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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，他们也声明没有已知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）、广西科学技术发展专项基金（项目编号AD25069078）以及广西大学本科创新与创业培训计划（202510593138）的财政支持。