在200°C条件下，挤压而成的Mg-8Gd-5Ag-0.5Zr合金表现出异常高的强度和延展性

《Journal of Rare Earths》：Exceptionally high strength-ductility of an extruded Mg-8Gd-5Ag-0.5Zr alloy at 200 °C

Mg-8Gd-5Ag-0.5Zr合金通过传统热挤压制备，在200℃下表现出306 MPa的高屈服强度和18%的延伸率，其微观结构由72 vol%动态再结晶细晶（平均2.5 μm）和晶界/基体中的纳米级δ-Mg14Gd2Ag3/γ-Mg11GdAg沉淀相组成，同时γ相中存在大量堆垛层错。

　　

赵东月|杨强|范俊源|顾浩|邱欣|吴瑞志|张敬怀|傅玉东

教育部超轻材料与表面技术重点实验室，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001，中国

摘要

基于Mg-Gd的合金在轻量化动力系统部件方面具有广阔的应用前景，但其在高温下的强度-延展性反比关系限制了其广泛应用。本文采用传统热挤压工艺制备了Mg-8Gd-5Ag-0.5Zr（重量百分比）合金。力学测试表明，该合金在200°C时的抗拉屈服强度为306 MPa，延伸率为18%。其微观结构由72%的动态再结晶（DRX）晶粒组成，平均晶粒尺寸约为2.5 μm，并且在晶界和Mg基体中存在大量的纳米级δ-Mg₁₄Gd₂Ag₃/γ-Mg₁₁GdAg颗粒。此外，γ相中形成了大量的位错（SFs）。晶界强化作用（通过动态沉淀物增强）以及弥散强化作用共同贡献了该合金在200°C时的高强度；而细小的晶粒、非基面<a>和<c+a位错的激活以及γ沉淀物中的密集位错则是该合金高延展性的主要原因。

引言

Mg合金在汽车、航空航天和国防工业领域的快速发展中一直是轻质材料的代表[1]，[2]，[3]。然而，强度与塑性的平衡难题阻碍了其在常温或高温下的广泛应用[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。因此，开发出兼具优异强度和塑性的新型镁合金至关重要。

基于Mg-Gd的合金是耐热镁合金研究中的一个有前景的方向，与QE（Mg-Ag-RE）和WE（Mg-Y-Nd）合金[11]，[12]，[13]，[14]，[15]一样具有显著的发展潜力。在常温下，Mg-Gd合金具有较高的强度，但塑性较差。例如，通过旋转锻造制备的Mg-8Gd-3Y-0.4Zr（重量百分比）块状纳米晶合金的抗拉屈服强度为650 MPa，但塑性仅为4.5%。与传统挤压Mg合金相比，Mg-13Gd（重量百分比）二元合金的抗拉屈服强度为470 MPa，但塑性降至2.5%[17]。通常情况下，如ZK（Mg-Zn-Zr）和AZ（Mg-Al-Zn）系列合金在200°C时的塑性会有所改善[18]，[19]，[20]，[21]，尽管强度会显著下降。例如，商业化的ZK60（Mg-6Zn-0.5Zr，重量百分比）合金在25°C时的抗拉屈服强度为315 MPa，延伸率为14.5%；而在200°C时屈服强度降至118 MPa，但延伸率显著提高到40.4%。然而，对于挤压的Mg-9Gd-3Y-0.6Zn-0.4Zr合金，在200°C时塑性基本保持不变[22]，但强度有所下降。为了改善Mg-Gd合金的强度-延展性平衡，人们采用了多种合金化元素。然而，在保持强度超过300 MPa的前提下，200°C时的延伸率普遍低于7%[23]，这明显不如ZK和AZ系列合金在室温下的强度-延展性平衡。因此，如何在高温（如200°C）下实现Mg-Gd合金的最佳强度-延展性平衡仍然是一个挑战。

为了提高Mg-Gd合金在高温下的强度，引入密集的热稳定沉淀物是最有效的方法。一方面，这些金属间颗粒可以在热变形过程中促进晶粒的动态再结晶（DRX）；另一方面，它们可以阻碍晶界滑移并限制晶粒生长[18]。广泛报道的动态沉淀Mg₅RE相和统计沉淀的β'相通过限制位错滑移和晶粒生长来维持Mg-Gd合金在200°C时的强度[24]。通常情况下，棱柱形和金字塔形位错的增加会降低高温下基面与棱柱面之间的临界应力，从而优化镁合金的塑性[19]。然而，对于含有高密度沉淀物的Mg-Gd合金来说，这不足以实现满意的延展性。随着变形的进行，位错会在沉淀物附近积累，导致微裂纹的产生，从而限制了延展性[25]。根据Meng等人的研究[26]，非基面位错可能会绕过负责合金延展性的沉淀相（?-Al₃La）。因此，优化Mg-Gd合金中的沉淀物/金属间化合物组成可能是同时提高强度和塑性的有效方法。研究表明，无论在室温还是高温下，Mg-Gd-Ag合金都表现出良好的机械性能，无论是通过基面相还是动态沉淀[27]，[28]。本研究制备了一种在200°C时具有优异机械性能的Mg-Gd-Ag合金，这是通过引入沉淀相和大量动态再结晶实现的。通过对高温处理过程中位错的性质和第二相的特征进行分析，加深了对这些现象的理解。因此，本研究对这种耐热Mg-Gd合金的强化和增韧机制进行了全面分析。

实验部分

实验

Mg-8Gd-5Ag-0.5Zr（GQ85，重量百分比）合金采用重力铸造法制备，原料包括纯Mg（99.9重量百分比）、Mg-20重量百分比Gd、银箔（99.5重量百分比Ag）和Mg-30重量百分比Zr。首先，在CO₂+4体积百分比SF₆混合气氛下，将纯Mg和Mg-20重量百分比Gd加热至730°C熔化。实际化学成分通过电感耦合等离子体-原子发射光谱仪（ICP-AES，Thermo iCAP 7400）进行分析，具体成分见表1。然后，将熔体进一步加热至750°C并保持静止状态

力学性能

在200°C和25°C时，所研究的合金表现出优异的力学性能。测试结果如图1(a)所示。两条曲线均为下降趋势，并在屈服后出现明显的平台期。这种屈服行为也在ZK和AZ系列合金中观察到[40]，[41]，作者将其归因于孪晶的扩展。在Mg-Gd-Nd-Zr合金中，抗拉屈服平台的形成主要由基面滑移控制，这得益于较弱的稀土织构

讨论

与其它公开报道的挤压Mg-RE合金相比，所研究的合金在200°C时表现出更优异的强度-延展性平衡。一般来说，挤压镁合金的强度主要由可溶原子、晶粒尺寸、位错和沉淀物/弥散体决定。从图3可以看出，所研究的合金具有较高的再结晶率，约为72%，因此晶粒更细小，晶界也更多。晶粒细化有望提高

结论

通过传统挤压工艺制备了一种GQ85合金，并对其力学性能和微观结构进行了详细研究。首先，该合金在挤压过程中的动态再结晶比例较高，约为72%，晶粒细小，平均尺寸约为2.5 μm。合金的优异强度直接源于其大量的晶界。其次，SEM成像结合XRD和TEM分析显示

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。