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Improved mechanical properties of highly alloyed Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn alloys via tailoring LPSO phase structure

LPSO相結構調控提升高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力學性能

作者信息：

Zhiying Zheng ^a b, Zhihua Dong ^a b, Cuihong Wang ^a b, Yulun Luo ^a b, Shengwen Bai ^a b, Ang Zhang ^a b, Jiangfeng Song ^a b, Bin Jiang ^a b

a National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

b National Key Laboratory of Advanced Casting Technologies, College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100007

文章介紹：

鎂（Mg）及其合金因具有低密度和高比強度的特性，在汽車、航空、航天及3C領域被廣泛應用以實現減重目標。然而，大多數鎂合金的強度相對較低，難以滿足實際應用中的高性能要求。大量研究表明，增加稀土（RE）含量是提高鎂合金強度的有效途徑，主要通過固溶強化和細晶強化實現。例如，隨著稀土含量從6.7 wt%增至16.8 wt%，鑄態Mg-Gd-Y-Zr合金的強度從107 MPa提升至209 MPa，這主要歸因于固溶強化效應的增強。高稀土含量鎂合金在熱擠壓過程中，通過第二相粒子促進動態再結晶（DRX）行為，顯著細化晶粒尺寸并進一步提升合金強度。然而，稀土元素在鎂基體中的固溶度對化學成分和溫度極為敏感，易形成Mg24RE5和Mg5RE等脆性析出相。因此，高合金化Mg-RE合金的強度隨稀土含量呈非單調變化，而添加固溶度較大的合金元素（如我們在Mg-10Gd-5Y-xEr合金中的前期研究所示）可在一定程度上進一步提高強度。但大量脆性相的生成使得高合金化鎂合金的強度大幅提升仍面臨重大挑戰。

近年來，長周期堆垛有序（LPSO）相被成功應用于提升鎂合金的力學性能[18,19]。該相通常形成于Mg-RE-Zn系合金中，伴隨RE與Zn元素的協同偏聚。研究表明，LPSO相能通過扭折機制有效阻礙位錯運動并協調塑性變形。此外，LPSO相的形貌與類型對鎂合金力學性能和顯微組織演變具有重要影響：例如，含有塊狀LPSO相的Mg-8Gd-1Er-1Zn-0.6Zr合金，其強度和延伸率均優于層狀LPSO相合金。LPSO相類型取決于原子堆垛順序，其中14H和18R型最為常見——14H-LPSO相的扭折界與塊狀18R-LPSO相可促進動態再結晶（DRX），而層狀14H-LPSO相則能抑制DRX晶粒長大。因此，引入LPSO相有望成為調控相組成、減少脆性相析出的有效途徑，最終實現高合金化Mg-RE合金力學性能的提升。

本研究針對我們前期工作中具有較高強度的Mg-10Gd-5Y-5Er合金，系統探究了Zn含量對其力學性能與組織演變的影響。通過熱力學計算、多尺度結構表征以及不同強化機制的定量貢獻評估，深入闡釋了其內在作用機理。

中文摘要：

高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er合金雖具有高強度，但脆性Mg24RE5相會加速微裂紋的萌生與擴展，顯著劣化其塑性變形能力。為此，需通過調控析出相類型來改善合金綜合力學性能。本研究系統探究了Zn含量（x=0、1、2、3和5 wt%）對高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力學性能與組織演變的影響規律。研究發現，隨著Zn含量增加，合金抗拉強度持續提升且延伸率未出現惡化，在實驗濃度范圍內獲得298 MPa的屈服強度與406 MPa的抗拉強度峰值。熱力學計算與顯微組織表征表明：Zn含量增加促使析出相從Mg24RE5相轉變為長周期堆垛有序（LPSO）相及層狀結構，該轉變通過改變基體溶質原子濃度影響動態再結晶行為，進而調控固溶強化與細晶強化對屈服強度的貢獻。特別值得注意的是，當Zn含量較高（x>2 wt%）時，塊狀LPSO相通過類似短纖維強化的機制顯著提升合金強度。這種通過增加塊狀LPSO相體積分數來改善力學性能的策略，可推廣至多種含LPSO相的鎂合金體系。