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

LPSO相結(jié)構(gòu)調(diào)控提升高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力學(xué)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(qiáng)度的特性，在汽車(chē)、航空、航天及3C領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。然而，大多數(shù)鎂合金的強(qiáng)度相對(duì)較低，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)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(qiáng)度的有效途徑，主要通過(guò)固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)。例如，隨著稀土含量從6.7 wt%增至16.8 wt%，鑄態(tài)Mg-Gd-Y-Zr合金的強(qiáng)度從107 MPa提升至209 MPa，這主要?dú)w因于固溶強(qiáng)化效應(yīng)的增強(qiáng)。高稀土含量鎂合金在熱擠壓過(guò)程中，通過(guò)第二相粒子促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）行為，顯著細(xì)化晶粒尺寸并進(jìn)一步提升合金強(qiáng)度。然而，稀土元素在鎂基體中的固溶度對(duì)化學(xué)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(qiáng)度隨稀土含量呈非單調(diào)變化，而添加固溶度較大的合金元素（如我們?cè)贛g-10Gd-5Y-xEr合金中的前期研究所示）可在一定程度上進(jìn)一步提高強(qiáng)度。但大量脆性相的生成使得高合金化鎂合金的強(qiáng)度大幅提升仍面臨重大挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，長(zhǎng)周期堆垛有序（LPSO）相被成功應(yīng)用于提升鎂合金的力學(xué)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(xié)同偏聚。研究表明，LPSO相能通過(guò)扭折機(jī)制有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并協(xié)調(diào)塑性變形。此外，LPSO相的形貌與類(lèi)型對(duì)鎂合金力學(xué)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(qiáng)度和延伸率均優(yōu)于層狀LPSO相合金。LPSO相類(lèi)型取決于原子堆垛順序，其中14H和18R型最為常見(jiàn)——14H-LPSO相的扭折界與塊狀18R-LPSO相可促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX），而層狀14H-LPSO相則能抑制DRX晶粒長(zhǎng)大。因此，引入LPSO相有望成為調(diào)控相組成、減少脆性相析出的有效途徑，最終實(shí)現(xiàn)高合金化Mg-RE合金力學(xué)性能的提升。

本研究針對(duì)我們前期工作中具有較高強(qiáng)度的Mg-10Gd-5Y-5Er合金，系統(tǒng)探究了Zn含量對(duì)其力學(xué)性能與組織演變的影響。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算、多尺度結(jié)構(gòu)表征以及不同強(qiáng)化機(jī)制的定量貢獻(xiàn)評(píng)估，深入闡釋了其內(nèi)在作用機(jī)理。

中文摘要：

高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er合金雖具有高強(qiáng)度，但脆性Mg24RE5相會(huì)加速微裂紋的萌生與擴(kuò)展，顯著劣化其塑性變形能力。為此，需通過(guò)調(diào)控析出相類(lèi)型來(lái)改善合金綜合力學(xué)性能。本研究系統(tǒng)探究了Zn含量（x=0、1、2、3和5 wt%）對(duì)高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力學(xué)性能與組織演變的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zn含量增加，合金抗拉強(qiáng)度持續(xù)提升且延伸率未出現(xiàn)惡化，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)獲得298 MPa的屈服強(qiáng)度與406 MPa的抗拉強(qiáng)度峰值。熱力學(xué)計(jì)算與顯微組織表征表明：Zn含量增加促使析出相從Mg24RE5相轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)周期堆垛有序（LPSO）相及層狀結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)變通過(guò)改變基體溶質(zhì)原子濃度影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，進(jìn)而調(diào)控固溶強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。特別值得注意的是，當(dāng)Zn含量較高（x>2 wt%）時(shí)，塊狀LPSO相通過(guò)類(lèi)似短纖維強(qiáng)化的機(jī)制顯著提升合金強(qiáng)度。這種通過(guò)增加塊狀LPSO相體積分?jǐn)?shù)來(lái)改善力學(xué)性能的策略，可推廣至多種含LPSO相的鎂合金體系。