电弧增材制造镁-钆-钇-锌-锆合金中LPSO结构与β′析出相协同实现优异的高温强度-塑性匹配

《Journal of Magnesium and Alloys》：Superior elevated-temperature strength-ductility synergy enabled by LPSO structures and β′ precipitates in wire-arc additively manufactured Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys

　　

提高镁(Mg)合金在高温下的力学性能是其在航空航天构件中应用的关键挑战。研究人员利用电弧增材制造(WAAM)技术制备了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，系统评估了沉积态(AB)和热处理态(HT)试样在室温、200 °C、250 °C和300 °C下的拉伸性能及强化机制。结果表明，WAAM特有的快速非平衡凝固路径显著细化了显微组织，使沉积态试样在250 °C下仍能保持157.9 ± 4.1 MPa的屈服强度和20.3 ± 3.4%的延伸率。随后的热处理促进了长周期堆垛有序(LPSO)结构和纳米级β′析出相的形成，共同构建了多尺度协同强化架构。这种多尺度显微组织表现出卓越的热稳定性，使热处理态试样在250 °C下的屈服强度和延伸率分别达到257.6 ± 5.2 MPa和18.6 ± 4.4%。显微组织分析揭示，LPSO结构通过扭折变形容纳塑性应变，而β′析出相有效钉扎位错。这种协同作用有效抑制了高温下的晶界滑移和动态再结晶引起的软化。该研究阐明了通过WAAM工艺和多尺度显微组织设计实现的高温强化增韧机制，为开发高性能镁合金提供了新的范式和理论基础。

研究背景与意义

镁稀土(Mg-RE)合金因其低密度、高比强度等特性，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，其显微组织稳定性不足以及在高温下力学性能的显著退化严重制约了该合金在关键高温结构件中的应用。目前，提升镁合金高温性能的方法主要分为合金成分优化和热机械加工两类。传统的铸造工艺往往导致粗大的金属间化合物形成，而热机械加工则容易引入显微组织不均匀性和织构软化问题。因此，研究人员亟需探索先进的加工路线来开发热稳定的Mg-RE合金。近年来，丝材电弧增材制造(WAAM)凭借其极高的冷却速率，能够细化晶粒并促进过饱和固溶体的形成，为提升镁合金性能提供了新途径。针对传统Mg-RE系合金中β系列析出相在超过250 °C时易发生粗化和溶解的问题，本研究创新性地引入锌(Zn)，旨在利用Zn诱导形成具有优异本征热稳定性的长周期堆垛有序(LPSO)结构，使其与基体内的β′析出相协同作用，实现多尺度强化，从而突破镁合金高温应用的瓶颈。

主要关键技术方法

研究人员采用定制的WAAM-CMT系统制备了名义成分为Mg-8.1Gd-2.6Y-0.7Zn-0.5Zr (wt.%)的GWZ831镁合金薄壁件。随后对试样进行了520 °C保温0.5小时水冷淬火及200 °C时效48小时的短时热处理。在力学性能测试方面，研究人员依据ASTM E21标准，在室温、200 °C、250 °C和300 °C下对沉积态和热处理态棒状试样进行了拉伸测试。在显微组织表征方面，综合运用了扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)以及透射电子显微镜(TEM)等多种先进表征手段，深入分析了变形前后的显微组织演变及断裂行为。

研究结果

3.1. 显微组织

沉积态试样的平均晶粒尺寸约为11.1 μm，主要由沿晶界分布的(Mg, Zn)₃(Gd, Y)共晶相组成。经过热处理后，共晶相几乎完全溶解，平均晶粒尺寸略微增长至12.1 μm，未发生异常长大。热处理促使晶界处形成了富含Zn的片层状LPSO结构，经确定为18R型，其晶面间距约为1.6 nm。同时，α-Mg基体内析出了高密度的纳米级β′析出相。EBSD分析显示，两种状态下的试样均保持了较弱的基面织构和低的平均核平均取向差(KAM)值，表明残余应力极低。

3.2. 力学性能

沉积态试样在室温下表现出良好的综合力学性能。随着温度升高至200 °C和250 °C，其屈服强度略有下降，但极限抗拉强度和延伸率显著提升，在250 °C时延伸率达到20.3%。当温度升至300 °C时，强度继续下降，但延伸率激增至32.2%。热处理态试样的力学性能在各温度下均显著高于沉积态，室温屈服强度提升至254.9 MPa。在250 °C时，热处理态试样的屈服强度仍高达257.6 MPa，延伸率为18.6%，实现了强度与塑性的优异匹配。即使在300 °C下，其屈服强度仍保持在166.9 MPa的较高水平。

3.3. 断口形貌

沉积态试样的断口形貌随温度升高由混合韧脆断裂逐渐转变为典型的韧性断裂，表现为韧窝密度和深度的增加。热处理态试样在室温下呈现脆性断裂特征，但随着温度升高，断口处出现了大量细小且密集的韧窝以及明显的撕裂棱，表明发生了显著的塑性变形。此外，在250 °C和300 °C的断口中观察到了二次裂纹，且LPSO结构在拉伸应变下发生了扭转变形，这有效促进了基体的协调性，提升了高温塑性。

4. 讨论

4.1. 沉积态试样高温拉伸引起的演变

在室温下，沉积态试样的塑性变形主要由型位错滑移和{10–12}<10–1>拉伸孪晶主导。随着温度升高，非基面滑移系被激活，位错滑移增加，孪晶密度逐渐降低，变形机制由孪生辅助转变为以滑移为主。尽管基体软化，但增强的位错攀移和重排能力促进了低角度晶界(LAGBs)比例的增加，有助于缓解局部应力集中，从而在温度高达250 °C时仍保持良好的塑性。

4.2. LPSO结构与β′析出相之间的协同增强机制

热处理态试样在高温下保持优异性能的关键在于LPSO结构与β′析出相的协同作用。LPSO结构本身具有极高的热稳定性，在300 °C拉伸后未出现明显粗化或溶解，其通过形成扭折带(kink bands)有效容纳了c轴应变，防止了位错的过度堆积。与此同时，半共格的β′析出相强烈钉扎位错，阻碍位错运动，并通过Zener效应抑制动态再结晶过程中新晶粒的长大，产生细晶强化效果。这两种机制的协同不仅缓解了应力集中，还有效抑制了β′析出相在高温下的粗化，从而赋予了合金卓越的高温强度和塑性。

5. 结论

研究人员通过WAAM技术制备了含LPSO结构和β′析出相的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，并系统研究了其高温力学性能及显微组织演变，得出以下主要结论：

(1) 沉积态试样由细小的等轴晶和沿晶界分布的共晶相组成。热处理后，共晶相溶解并形成LPSO结构和β′析出相，且未发生明显晶粒粗化。

(2) 沉积态试样在室温下的变形主要由型位错滑移和拉伸孪晶协调；高温下非基面滑移激活，孪晶减少，导致强度略有下降但塑性显著提升。

(3) 热处理态试样在250 °C下仍保持257.6 MPa的高屈服强度和18.6%的延伸率。这种优异的高温性能归因于LPSO结构的扭折变形协调能力以及β′析出相的有效位错钉扎作用的协同增强。