通过Ag添加协同增强电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zr合金的强度与塑性

《Journal of Magnesium and Alloys》：Synergistic enhancement of strength and ductility in wire arc additive manufactured Mg-Gd-Y-Zr alloy via Ag addition

　　

为克服高稀土镁合金的强度-塑性权衡和较差成形性，研究人员通过电弧增材制造（WAAM）制备了Mg-13Gd-3Y-XAg-Zr（x=0, 1和2 wt.%）薄壁件，随后进行固溶处理和峰值时效处理（T6）。系统研究了沉积态、固溶态和T6态合金的显微组织演变和力学性能。WAAM固有的非平衡快速凝固产生了过饱和Gd、Y和Ag溶质的等轴细晶α-Mg晶粒。Ag添加逐步细化晶粒并抑制了随沉积高度增加的晶粒粗化。优化的固溶处理溶解了共晶相，同时保留了随机取向的细晶显微组织。在时效过程中，Ag添加加速了峰值硬度的达到并促进了β′和γ′′相的共析出。含2 wt.% Ag的T6态合金实现了422.7 MPa的屈服强度（YS）、473.6 MPa的抗拉强度（UTS）和4.3%的延伸率（EL），与无Ag合金相比表现出强度与塑性的协同增强。这种协同增强源于WAAM诱导的晶粒细化与Ag促进的析出相的共同作用。通过将高材料利用率与优异力学性能相结合，该合金-工艺策略为制造高性能镁合金构件提供了一条有前景的途径。

**论文解读：电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zr-Ag合金中Ag添加对强度与塑性协同增强机制的研究**

**研究背景与问题**
高稀土镁合金（如Mg-Gd-Y-Zr系）因高比强度、抗蠕变性和耐腐蚀性在航空航天和军事领域有重要应用前景。然而，该类合金面临两大长期挑战：强度-塑性权衡和成形性差。一方面，通过增加稀土含量提高沉淀强化效果时，高密度析出相虽有效阻碍位错运动提升强度，但加剧应变局部化导致塑性下降；另一方面，高稀土含量增加了室温及低温变形加工难度，并易形成粗大富稀土动态析出相，降低合金塑性和强化效率。为突破这些瓶颈，需通过合金与工艺创新挖掘高稀土镁合金潜力。同时，高稀土含量增加原材料成本，而电弧增材制造（WAAM）具有高材料利用率（近100%）、高沉积速率和开放空间制造能力，特别适合定制化、无模具生产高性能高价值部件。前期WAAM制备的Mg-RE合金已表现出力学性能优势，但强度-塑性权衡问题仍未解决。Ag元素在铸造Mg-RE合金中显示出增强时效硬化能力、促进析出相形成的潜力，但Ag在WAAM Mg-RE合金中的作用尚不明确。因此，研究人员开展了本项研究，系统探究Ag含量对WAAM Mg-Gd-Y-Zr合金显微组织演变和力学性能的影响，并阐明协同增强机制。论文发表在《Journal of Magnesium and Alloys》。

**关键技术与方法**
研究人员采用电弧增材制造（WAAM）技术，以气体钨极电弧焊（GTAW）为热源，在WE43基板上沉积名义成分为Mg-13Gd-3Y-xAg-Zr（x=0, 1, 2 wt.%）的薄壁件（约50 mm高）。制备后对合金进行优化固溶处理（Q0: 490°C×1 h; Q1: 505°C×40 min; Q2: 505°C×1 h 45 min）和200°C峰值时效处理（T6）。利用扫描电子显微镜（SEM）配能谱仪（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）分析显微组织、元素分布和晶体取向；通过透射电子显微镜（TEM）观察共晶相和析出相形貌、结构及分布；采用维氏硬度测试和室温拉伸试验评估力学性能。

**研究结果**

**3.1 沉积态合金显微组织**
SEM和TEM分析表明，所有沉积态合金均由α-Mg基体和沿晶界分布的断续共晶相组成，无孔隙或微裂纹。EDS显示α-Mg内Gd、Y、Ag溶质高度过饱和，且从晶界到晶内存在浓度梯度，这是WAAM非平衡快速凝固导致溶质截留的结果。在含2%Ag的Q2合金中，晶界处观察到富Ag的β-Mg₅(Gd, Y, Ag)析出相，而Q0合金无此现象。EBSD分析显示，所有合金均为随机取向的等轴细晶，平均晶粒尺寸随Ag含量增加而减小（Q0: 11.94 μm, Q1: 10.59 μm, Q2: 9.97 μm），且Ag添加有效抑制了随沉积高度增加导致的晶粒粗化（Q2从底部到顶部的增量仅0.14 μm，而Q0为3.72 μm）。

**3.2 热处理**
通过优化固溶处理，大多数共晶相溶解，细晶结构得以保留，EDS线扫显示溶质偏析显著消除，溶质均匀分布。固溶后晶粒尺寸略有增大（Q0: 13.35 μm, Q1: 12.25 μm, Q2: 12.60 μm），但增幅极小。时效硬化曲线表明，Ag添加显著加速了峰值时效时间并提高了峰值硬度：Q2合金峰值硬度达147.6 HV，比Q0（134.5 HV）提高9.7%。TEM沿[11-20]晶带轴观察发现，Q0合金中仅存在棱柱面β′析出相（平行于(1-100)面），而Q1和Q2合金中除β′相外，还观察到沿(0001)基面分布的γ′′薄片状析出相。沿[0001]晶带轴观察确认了γ′′相的特征衍射斑点，表明Ag促进了棱柱面β′和基面γ′′的共析出，且随Ag含量增加，析出相尺寸减小。

**3.3 力学性能**
沉积态和固溶态合金的强度相近，但固溶态塑性更高；Ag添加对两种状态下的力学性能改善不显著。时效处理后，T6态合金强度大幅提升，塑性下降，但含Ag合金的塑性下降幅度更小。T6-Q2合金屈服强度（YS）达422.7 MPa，抗拉强度（UTS）473.6 MPa，延伸率（EL）4.3%，相比T6-Q0（YS 375.7 MPa, UTS 403.7 MPa, EL 2.3%）实现了强度与塑性的协同增强。与近期报道的WAAM Mg-RE合金相比，本工作开发的GWQK合金因高稀土含量及Ag添加与热处理优化，展现出优越的综合力学性能。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：
- **显微组织演变**：WAAM过程中非平衡凝固导致α-Mg溶质过饱和，Ag添加促进晶界析出相形成并细化晶粒，抑制随层高增加的晶粒粗化。固溶处理需根据Ag含量调整温度和时间以完全溶解共晶相并保留细晶。时效时Ag加速峰值时效，促进β′和γ′′共析出，且效果随Ag含量增强。
- **强化机制**：通过计算各强化机制对屈服强度的贡献，发现Ag添加主要增强了沉淀强化（σ_β′+σ_γ′′）。T6-Q2合金中棱柱面β′相和基面γ′′相的共同析出（Orowan机制）贡献显著，σ_β′达249.7 MPa，σ_γ′′为21.8 MPa，远高于无Ag合金。
- **协同增强机制**：WAAM工艺保留的随机取向细晶组织提供了高角度晶界网络，有利于位错堆积、转移和再分布。Ag介导的β′/γ′′共析出通过空间各向异性位错障碍和局部应力非均匀性，促进了非基面〈c+a〉位错的活动，从而在强化的同时改善局部协调变形能力。这种晶界调控与析出相调控的协同作用实现了强度-塑性协同增强。

**结论部分翻译**：
1. WAAM合金呈现细小的、随机取向的等轴晶，晶界分布有共晶相，α-Mg基体含有高溶质浓度。随Ag含量增加，平均晶粒尺寸略微减小，且不同区域间晶粒尺寸差异减小。
2. 不同Ag含量合金需匹配合适的固溶处理工艺。固溶处理后，共晶相完全溶解，晶粒轻微长大。固溶态合金强度接近沉积态但塑性提高，Ag添加略微增强了固溶态合金的强度。
3. 时效产生弥散分布的纳米级析出相。Ag促进棱柱面和基面析出，提前峰值时效时间并提高峰值硬度；强度上升而塑性下降。在T6-GWQ2K合金中，YS、UTS和EL分别达到422.7 MPa、473.6 MPa和4.3%，相对于GWQ0K实现了强度-塑性协同增强。
4. 热处理后保留的随机取向细晶，以及Ag调控的棱柱面和基面细小弥散共析出行为，是WAAM GWQK合金强度-塑性协同增强的主要驱动力。