无LPSO相Mg-Gd-Zn合金的高温优异力学性能：晶内无析出带与晶界析出相的作用

《Journal of Materials Research and Technology》：Superior high-temperature mechanical performance of Mg-Gd-Zn alloy: the role of intragranular precipitate-free zones and grain boundary precipitates

　　

摘要专业翻译： 在高性能结构应用中，平衡高温强度与塑性对镁合金而言一直是一个持续挑战。本研究通过热挤压随后峰值时效处理制备了一种不含长周期堆垛有序（LPSO）相的Mg-14Gd-0.2Zn（wt.%）合金。峰值时效态合金在高温下展现出优异的强度与塑性平衡。在250 °C时，其极限抗拉强度（UTS）保持在约300 MPa，延伸率为11.1%；在300 °C时，UTS维持在约250 MPa，且延伸率显著提高至25.4%，优于许多传统含LPSO相的Mg-Gd-Y基合金。挤压态合金具有双峰晶粒结构，包含约85%的细小动态再结晶（DRXed）晶粒和 elongated 未动态再结晶区域。经300 °C拉伸变形后，沿晶界形成不连续链状β-Mg5Gd颗粒，晶内β相周围形成狭窄的晶内无析出带（PFZs，50–70 nm），细小透镜状析出相沿三个方向排列。优异的高温性能源于晶界不连续链状β相对晶界滑动的钉扎作用、PFZs与析出富集区之间变形不相容性引起的背应力强化，以及细小透镜状析出相提供的Orowan强化之间的协同作用。本研究为设计不依赖LPSO相的高性能耐热镁合金提供了新策略。

论文解读文章：

一、研究背景与科学问题

在超高音速飞行器和导弹舱体等关键部件中，材料必须在复杂热-机械载荷条件下保持结构完整性。然而，传统镁合金存在绝对强度低以及在高温（通常150–300 °C）下力学性能急剧退化的问题，这已成为限制其在高端结构部件中应用的主要障碍。因此，开发兼具高室温强度与优异高温稳定性的新型镁合金是当前的研究重点。

Mg-Gd基合金因其显著的时效硬化响应和优异的高温性能而备受关注，其优异性能的关键在于微观组织中长周期堆垛有序（LPSO）相的形成。研究表明，14H和18R型LPSO相即使在300 °C以上长时间保温后也无明显粗化或分解，其高热稳定性源于独特的原子堆垛有序和化学有序。相比之下，时效硬化的β′相在200 °C以上开始快速粗化，导致强化效果迅速丧失。此外，分布于晶界的块状LPSO相能有效钉扎晶界并抑制晶界滑动，晶内层片状LPSO相在高温变形中表现出独特的扭折变形行为，并促进非基面滑移的启动。

然而，LPSO强化并非没有局限。LPSO相的形成不可避免地伴随共晶(Mg, Zn)₃Gd析出，即使在均匀化处理后仍会残留，减少了可用于沉淀序列的溶质。研究人员此前基于热力学分析，开发了一种仅含微量Zn的Mg-14Gd-0.2Zn（wt.%）合金，在铸态和挤压态条件下均有效抑制了LPSO相的形成。挤压态合金实现了室温强度与塑性的优异平衡，这归因于堆垛层错（SFs）和纳米β析出相的协同效应。然而，以β析出相强化替代LPSO相用于高温应用的潜力在很大程度上尚未被探索。因此，本研究旨在系统研究挤压态Mg-14Gd-0.2Zn合金在25–300 °C温度范围内的高温拉伸行为和变形机制，重点关注β析出相的热稳定性、其与位错和晶界的相互作用，以及变形模式从基面滑移向非基面滑移和晶界滑移的演变，为开发不依赖LPSO相的高性能耐热Mg-Gd基合金提供新的微观组织设计策略。

二、研究内容与主要结论

研究人员系统研究了挤压态和峰值时效态Mg-14Gd-0.2Zn（wt.%）合金的高温拉伸行为和变形机制。研究结果表明：挤压态合金具有双峰晶粒结构，包含约85%的细小动态再结晶（DRXed）晶粒（平均尺寸约4.16 μm）和 elongated 未动态再结晶区域；在200 °C峰值时效20 h后，微观组织包含高密度I₁型堆垛层错（SFs）、细小β-Mg₅Gd析出相和棱柱面β′析出相。室温下峰值时效态合金的屈服强度（YS）为373 MPa，极限抗拉强度（UTS）为448 MPa，延伸率为5%。更令人瞩目的是，该合金在高温下保持了优异的热稳定性和塑性：250 °C时UTS约300 MPa，延伸率11.1%；300 °C时UTS约250 MPa，延伸率显著提高至25.4%，优于许多含LPSO相的Mg-Gd-Y基合金。经300 °C拉伸变形后，微观组织呈现沿晶界分布的不连续链状β-Mg₅Gd颗粒、晶内β相周围狭窄的晶内无析出带（PFZs，50–70 nm）以及沿三个方向排列的细小透镜状β系列析出相。优异的高温强度主要归因于晶界不连续链状β-Mg₅Gd颗粒对晶界滑动的钉扎作用、狭窄晶内PFZs与相邻析出富集区之间变形不相容性产生的背应力强化，以及细小透镜状析出相提供的Orowan强化的协同效应。

三、关键技术方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：光学显微镜（OM）和配备电子背散射衍射（EBSD）探测器的扫描电子显微镜（SEM）用于微观组织表征；X射线衍射（XRD）用于物相鉴定；透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）用于析出相精细结构分析；扫描透射电子显微镜能谱分析（STEM-EDS）用于元素分布表征；显微硬度测试用于评估时效硬化响应；万能力学试验机用于室温、200 °C、250 °C和300 °C下的拉伸力学性能测试。样品经520 °C固溶处理24小时、320 °C热挤压（挤压比16）、200 °C等温时效处理制备。

四、研究结果

4.1 挤压态微观组织特征

光学显微镜观察显示，挤压态合金呈现双峰晶粒分布，包含约85%的细小动态再结晶（DRXed）晶粒和少量 elongated 未动态再结晶区域。这些 elongated 晶粒含有高密度的小角度晶界（LAGBs），表明热挤压过程中动态再结晶不完全。变形引起的温升促进了动态晶粒长大，导致再结晶晶粒尺寸相对较粗，约4.16 μm。织构分析显示由于高DRX分数，取向相对随机，有利于降低力学各向异性。晶粒平均取向差（KAM）图显示平均值为0.76°，表明再结晶组织基本无变形诱导位错。SEM观察显示挤压过程中形成了微米级块状动态析出相，XRD分析鉴定这些析出相为平衡β-Mg₅Gd相。施密特因子（SF）分析表明，锥面滑移系具有最高的平均SF值0.4，表明锥面滑移是最有利取向的滑移模式，这对容纳c轴应变和提高塑性至关重要。

4.2 时效硬化行为与室温力学性能

挤压态合金初始硬度为89.3 HV，在200 °C等温时效过程中硬度持续增加，20 h后达到峰值118.4 HV，随后进入逐渐过时效阶段。与挤压态相比，峰值时效态合金强度显著提升：YS从279 MPa增至373 MPa，UTS从349 MPa增至448 MPa，而延伸率从17%降至5%，体现了沉淀强化镁合金中典型的强度-塑性权衡。

4.3 析出相特征分析

TEM观察显示，在再结晶晶粒中，较粗的块状β-Mg₅Gd析出相（平均直径约350 nm）分布在晶内和晶界。相比之下，elongated 晶粒含有更细小的动态析出相（长约190 nm，宽约130 nm），与Mg基体保持特定取向关系。快速傅里叶变换（FFT）图谱确认这些析出相为面心立方β-Mg₅Gd相。值得注意的是，在elongated 晶粒内观察到高密度平行于基面迹线的直线，被鉴定为纳米间距I₁型堆垛层错（SFs），与棱柱面β′析出相共存。STEM-EDS分析显示，β-Mg₅Gd和β′析出相中均存在明显的Gd富集，Zn在β-Mg₅Gd析出相和SFs处发生偏聚，表明即使0.2 wt.%的微量Zn也参与了β析出相和SFs的形成。

4.4 高温拉伸性能

峰值时效态合金在室温、200 °C、250 °C和300 °C下进行拉伸测试。结果表明该合金具有优异的高温力学性能：250 °C时UTS保持约300 MPa，延伸率11.1%；300 °C时UTS接近250 MPa，延伸率显著提高至25.4%。这一性能超越了大多数已报道的含9–16 wt.%总稀土元素的耐热Mg-Gd-Y基合金，后者通常在200 °C时UTS约400 MPa，250 °C时约300 MPa，300 °C时约200 MPa。

4.5 300 °C拉伸变形后的微观组织演变

TEM观察显示，经300 °C拉伸断裂后，沿晶界可见不连续链状排列的β颗粒，晶粒内部β相周围观察到狭窄的无析出带（PFZ）。在[0001]_α-Mg带轴下，透镜状析出相沿[11￣0]_α-Mg、[1￣10]_α-Mg和[￣110]_α-Mg三个方向排列。较大析出相长约115 nm、宽约13 nm，较小的长约60 nm、宽约9 nm。基于其特征透镜状形貌和尺寸分布，这些析出相被鉴定为由β′相转变形成的β₁和β相。

4.6 无析出带的形成机制

HAADF-STEM表征显示，晶内β-Mg₅Gd相周围存在宽度约50–70 nm的无析出带（PFZ）。STEM-EDS分析表明β相主要富集Gd，含少量Zn，而β相周围观察到Gd贫化区。在300 °C下原子扩散显著加速，晶内亚稳共格β′析出相转变为平衡β相，随后通过Ostwald熟化粗化，持续从周围基体吸收Gd原子，导致邻近区域Gd浓度显著降低，甚至低于析出所需临界水平，该区域无法形核或析出新的细相，从而形成PFZ。与蠕变过程中观察到的PFZ显著宽化不同，高温拉伸变形中原子扩散时间相对有限，因此形成更狭窄的PFZ。

五、讨论与结论

5.1 高温强化与韧化机制讨论

研究人员指出，与先前报道的双峰Mg-Gd-Zn合金不同，本研究中高再结晶分数（约85%）的Mg-14Gd-0.2Zn合金呈现出明显不同的析出构型：高密度I₁堆垛层错、大量细小β-Mg₅Gd析出相和β′析出相。优异的高温强度主要归因于晶界强化和第二相强化。

在300 °C拉伸变形后，Gd和Zn原子沿晶界的扩散速率显著超过晶粒内部，晶界作为快速扩散通道，促进晶内细小β析出相溶解，随后溶质迁移并在晶界重新析出。同时，迁移中的晶界扫过晶内β颗粒并将其拖拽，β析出相施加Zener钉扎效应阻碍晶界运动，使被扫过的颗粒逐渐累积和粗化。扩散介导的再析出和晶界扫掠累积的协同效应最终沿晶界产生不连续链状β析出相排列。虽然增加的晶界面积可能在高温下促进晶界滑动，但沿晶界链状β-Mg₅Gd析出相的钉扎效应部分抵消了这一潜在不利影响。在elongated晶粒内部，除块状β相周围狭窄PFZ外，大量由β′相转变形成的透镜状β₁/β相沿三个方向分布。与提供可忽略强化的粗大β相不同，细小尺寸、高长宽比和均匀分布使这些析出相对Orowan强化非常有效。

与蠕变加工中晶界附近宽PFZ和粗大第二相周围宽PFZ的两个不利影响相比，本合金中狭窄PFZ虽然可能在局部削弱析出强化，但相对软的PFZ与相邻析出富集区之间的力学对比可在拉伸加载期间促进异质变形。这种变形不相容性产生应变梯度，促进界面附近几何必要位错（GNDs）的积累，从而产生长程背应力和异质变形诱导（HDI）强化，部分补偿了局部析出强化的损失。

此外，某些晶粒内仍存在SFs和β′相，SFs与β′的组合也构成强化微观组织。SFs与位错共存表明高温下非基面滑移系被激活，SFs与位错的相互作用可能促进更均匀的变形，有助于合金优异的高温塑性。

5.2 研究结论翻译

本研究系统研究了挤压态和峰值时效态Mg-14Gd-0.2Zn（wt.%）合金的高温拉伸行为和变形机制，主要发现总结如下：

（1）挤压态合金具有双峰晶粒结构，包含约85%的细小动态再结晶（DRXed）晶粒（平均尺寸约4.16 μm）和elongated未动态再结晶区域。在200 °C峰值时效20 h后，微观组织包含高密度I₁型堆垛层错（SFs）、细小β-Mg₅Gd析出相和棱柱面β′析出相。

（2）室温下，峰值时效态合金的屈服强度（YS）为373 MPa，极限抗拉强度（UTS）为448 MPa，延伸率为5%。更令人瞩目的是，该合金在高温下保持了优异的热稳定性和塑性：250 °C时UTS约300 MPa，300 °C时约250 MPa，延伸率分别为11.1%和25.4%。

（3）经300 °C拉伸变形后，微观组织以沿晶界分布的不连续链状β-Mg₅Gd颗粒、狭窄的晶内无析出带（PFZs，50–70 nm）以及沿三个方向分布的细小透镜状β系列析出相为特征。

（4）优异的高温强度主要归因于晶界不连续链状β-Mg₅Gd颗粒对晶界滑动的钉扎作用、狭窄晶内PFZs与相邻析出富集区之间变形不相容性引起的背应力强化，以及细小透镜状析出相提供的Orowan强化的综合效应。