Mg-Nd-Gd-xY-Zn-Zr合金燃烧阻力和机械性能的同步提升：氧化层的形成与沉淀强化机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Simultaneous improvement of ignition resistance and mechanical properties of Mg-Nd-Gd- xY-Zn-Zr alloys: oxide layer evolution and precipitation strengthening

　　

摘要

随着镁基稀土合金在航空航天和新能源车辆应用中的使用日益增加，对具有高抗燃性和机械强度的镁合金的需求也随之增大。本研究系统地探讨了添加钇（Y）和热处理对镁-3Nd-1Gd-0.5Zn-0.5Zr合金的微观结构演变、氧化行为、抗燃性和机械性能的影响。添加钇显著提高了抗燃性，使无钇合金的平均燃点从716℃提高到含2 wt.% 钇的合金的1021℃。这一改进主要归因于形成了致密的Y₂O₃为主的氧化层，该氧化层具有更高的致密度、更好的抗裂性以及更高的压缩残余应力。热处理通过改变氧化层的形成进一步提高了抗燃性。固溶处理促进了抗燃性元素的均匀分布，并有助于形成更厚、更均匀的氧化层。经时效处理后，纳米级沉淀物可能嵌入生长的氧化层中，促进了富含稀土的界面相的形成。因此，含2 wt.% 钇的合金在T6热处理后的燃点提升至1043℃。同时，钇的添加增强了时效过程中的析出强化作用，使得该合金的屈服强度达到194 MPa，抗拉强度达到334 MPa，延伸率为9.4%。研究结果揭示了氧化层演变与析出强化之间的协同作用，为低稀土含量的镁基铸造合金实现高抗燃性和优异的机械性能提供了有效策略。

引言

镁合金因其低密度、高比强度和优异的导热性能，成为航空航天、新能源车辆和铁路运输领域最具前景的轻质结构材料[1]、[2]。随着民用航空和电动汽车的快速发展，对轻质结构部件的需求大幅增加[3]。然而，镁合金较差的抗燃性仍然是其在安全关键环境中的广泛应用的主要障碍[4]。此外，传统铸造镁合金的机械性能往往不足以满足高载荷应用的需求[5]。因此，开发同时具有高抗燃性和优异机械性能的铸造镁合金已成为重要的研究目标。

提高镁合金抗燃性的常见方法是添加碱土（Ca）或稀土（RE）元素[6]。含钙的镁合金可以形成保护性氧化层，其燃点（T_ig）通常超过900℃，某些合金甚至超过1000℃[7]。然而，粗大的Mg₂Ca相的形成通常会降低其延展性和整体机械性能。例如，Mg-4.7Al-2.5Ca合金的燃点超过1000℃，但其室温屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和延伸率（EL）仅为约71 MPa、110 MPa和2.5%[8]，因此不适用于民用飞机和新能源车辆。相比之下，镁-稀土合金具有良好的时效硬化能力和热稳定性，能够在保持低密度的同时实现更高的机械性能[9]、[10]。然而，低稀土含量的合金燃点通常受限在640-804°C[11]、[12]、[13]，而要获得优异的抗燃性通常需要较高的稀土含量[14]，从而导致成本和资源消耗的增加。因此，在相对较低的稀土含量下协同提高镁合金的抗燃性和机械性能仍是一个重大挑战。

在各种稀土元素中，钇因其强大的抗氧化性和优异的强化潜力而受到广泛关注。先前的研究表明，钇能够促进形成了致密且连续的Y₂O₃层[15]，从而提高了氧化层的完整性并抑制了氧气向基体的扩散[2]、[16]，进而提高了抗燃性。此外，钇与其他稀土元素（如Gd[17]、Er[18]、Sm[19]、Ce[20]、Nd[21]、Ho[22]和La[23]）具有强烈的协同效应，并可通过形成纳米级沉淀物来增强析出硬化。这些特性表明，钇可能同时提高抗燃性和机械性能。然而，钇影响氧化层演变和与析出强化的相互作用机制尚未完全明了，尤其是在低稀土含量的铸造镁合金中。

热处理是调整镁-稀土合金抗燃性能和机械性能的另一种有效方法。其中，镁-稀土-锌-锆（Mg-RE-Zn-Zr）合金因其优异的时效硬化性能和工业适用性而被广泛认为是高性能铸造镁合金[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。然而，钇如何同时提高镁-稀土-锌-锆合金的抗燃性和机械性能的机制仍不明确。特别是在热处理后，钇和其他溶质原子的重新分布，以及共晶溶解和纳米级沉淀的形成，会显著改变微观结构。这种微观结构的变化预计会影响氧化层的形成和稳定性，进而影响合金的抗燃性。先前的研究表明，固溶处理可以提高镁-钆-钇-铒（Mg-Gd-Y-Er）合金的抗氧化性，而时效处理则会降低其抗燃性[29]。相反，Zasypkin等人[30]发现时效处理可以提高铸造镁-钇-锌（Mg-Y-Zn）合金的燃点。这些矛盾的研究结果表明，热处理过程确实会影响镁-稀土合金的抗燃性。然而，热处理引起的沉淀演变与氧化层稳定性之间的关系尚未确立。时效过程中形成的纳米级沉淀物是否会影响镁-稀土合金的高温氧化行为和抗燃性仍是一个未解之谜。

本研究系统地探讨了添加钇和热处理对镁-3Nd-1Gd-xY-0.5Zn-0.5Zr（NGW31x）合金的抗燃性、氧化行为和机械性能的影响。特别关注了热处理引起的微观结构演变与氧化层演变之间的耦合机制，以及这种耦合机制在协同提高抗燃性和机械性能中的作用。本研究为设计具有平衡抗燃性和机械性能的低稀土含量铸造镁合金提供了指导。

章节片段

材料制备

NGW31x合金采用高纯度原料制备，包括99.98%的镁（Mg）、纯锌（Zn）以及Mg-30Nd、Mg-30Gd、Mg-30Y和Mg-30Zr母合金（按重量计）。熔炼在电阻炉中进行，熔炼温度为730℃，熔炼过程在SF₆/CO₂（1:99，体积比）的保护气氛下进行。熔化完成后，装有熔融合金的不锈钢坩埚迅速浸入盐水中进行淬火，以获得铸态锭材。锭材的化学成分通过X射线荧光分析确定。

微观结构

图2展示了NGW31x合金的铸态材料的光学显微镜（OM）图像、扫描电子显微镜（SEM）照片和能谱仪（EDS）元素分布图。所有合金都显示出典型的等轴晶粒结构，这归功于锆（Zr）的细化作用（图2(a₁-c₁）。随着钇含量的增加，平均晶粒尺寸从NGW310的33.88 μm连续减小到NGW312的26.99 μm（图2(a₂-c₂），表明钇进一步增强了细化效果。EDS分析结果（图2(a₃-c₃）显示Nd、Gd等元素在晶粒中的分布...

添加钇对氧化层的影响

如上所述，无钇和含钇合金形成的氧化层具有明显的差异。NGW310合金形成的氧化层主要由MgO和Nd₂O₃组成，该氧化层容易开裂且厚度均匀性较差。相比之下，NGW311和NGW312合金在所有测试条件下都形成了致密且连续的氧化层。这种改进主要归因于Y₂O₃的形成。

结论

本研究成功开发了一系列低稀土含量的镁-3Nd-1Gd-xY-0.5Zn-0.5Zr（x = 0、1和2 wt%，总稀土含量低于6.5 wt%）合金。系统地研究了添加钇和热处理对这些合金的氧化行为、抗燃性和机械性能的影响。主要结论如下：

• 1.
  通过成分优化，成功开发出了高性能的NGW31x合金系列。

CRediT作者贡献声明

宋江峰：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。董志华：资源协调、方法论设计。郭鑫：初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。黄亚东：数据分析。廖金戈：撰写——审稿与编辑、方法论设计、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52271090、U2037601、U21A2048）、中央高校基本科研业务费（项目编号2025CDJZKPT-05、SKLMT-ZZKT-2022Z01、SKLMT-ZZKT-2022M12）以及中国国家重点研发计划（项目编号2021YFB3701000、2022YFB3709300）的财政支持。

郭鑫 | 黄亚东 | 宋江峰 | 董志华 | 高玉阳 | 谢文龙 | 刘春宇 | 廖金戈 | 江斌中国重庆大学镁合金国家工程技术研究中心，重庆，400044