新型深冷-时效复合热处理对挤压Mg-8Gd-3Y-0.4Zr合金力学性能的协同强化机制

针对镁合金强度不足和室温成形性差的问题，研究人员创新性地采用深冷处理(CT)与时效处理(AT)相结合的复合热处理工艺，系统研究了挤压Mg-8Gd-3Y-0.4Zr合金的微观组织演变与力学性能关系。结果表明，1小时CT+AT处理使抗拉强度(UTS)提升至435.5 MPa，较单一CT处理提高100 MPa以上，但延伸率(EL)降低12.8%。该研究通过SEM/EBSD/TEM等多尺度表征揭示了Mg3(Gd,Y)和Mg24(Gd,Y)5析出相强化机制，为高性能镁合金开发提供了新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，被誉为"21世纪的绿色材料"，在航空航天、交通运输等领域具有重要应用前景。然而，其绝对强度低、室温成形性差等固有缺陷严重制约了实际应用。特别是对于含稀土元素的Mg-Gd-Y系合金，虽然通过挤压工艺可细化晶粒，但单纯依靠变形加工难以满足高性能需求。传统热处理方法往往面临强度与塑性难以协同提升的困境，而深冷处理与时效处理的组合效应尚未得到系统研究。

湖南大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地提出"深冷-时效复合热处理"新工艺。通过控制深冷处理时间（0.5-6小时）与固定时效参数（200°C/48小时）的组合，发现1小时深冷处理后时效的样品(CT1-A)展现出最优强度（UTS 435.5 MPa），较单一深冷处理提升超100 MPa。研究采用多尺度表征技术揭示了微观机制：时效处理促进Mg₃(Gd,Y)和Mg₂₄(Gd,Y)₅纳米析出相形成，增强第二相强化效应；而深冷处理通过激活棱柱滑移和锥面滑移系提升塑性。值得注意的是，过长的深冷处理（>1小时）会导致强度下降，表明处理时间存在优化窗口。

关键技术方法包括：对挤压态Mg-8Gd-3Y-0.4Zr合金进行梯度时间深冷处理（-196°C）与标准时效处理（200°C/48h）；通过SEM、EBSD、XRD和TEM进行微观组织表征；采用电子万能试验机进行室温拉伸测试。

【Experimental Procedure】
研究选用铸态Mg-8Gd-3Y-0.4Zr合金，经420°C热挤压成直径8mm棒材后，分为6组进行不同时长（0.5-6h）深冷处理，部分样品后续进行时效处理。

【Mechanical properties】
拉伸测试显示：初始挤压样品UTS为320 MPa，EL达14%；CT1样品（1h深冷）UTS提升至338.1 MPa，EL显著提高至19.5%；CT1-A样品（1h深冷+时效）UTS达435.5 MPa，但EL降至6.7%。表明复合处理可实现强度突破，但伴随塑性牺牲。

【Conclusion】

1. 深冷-时效复合处理使CT1-A样品获得最高UTS（435.5 MPa），较单一处理提升超100 MPa；
2. 时效处理促进纳米级Mg₃(Gd,Y)/Mg₂₄(Gd,Y)₅析出，增强第二相强化；
3. 深冷处理通过降低位错密度和改变晶粒取向激活非基面滑移，CT1样品EL达19.5%；
4. 过长的深冷处理（>1h）会降低综合性能。

该研究首次系统阐明深冷与时效处理的协同作用机制，为开发"高强-高塑"镁合金提供了创新热处理方案。特别是发现1小时深冷处理为最佳时间节点，这对工业化应用具有重要指导价值。研究获得国家自然科学基金（52174362）和湖南省科技计划（2023JJ10020）支持，相关成果可拓展至其他稀土镁合金体系。