微量Gd添加抑制稀镁铝钙锰合金异常晶粒生长的机制及其对力学性能的优化作用

针对稀镁合金高温加工中异常晶粒生长(AGG)导致力学性能下降的问题，吉林大学团队通过添加0.2 wt.% Gd实现Al8Mn5相向热稳定性更高的Al8Mn4Gd相转变，使T4处理后晶粒尺寸稳定在~7.7 μm，同时提升强度和延伸率。该研究为镁合金高温组织调控提供了新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和汽车轻量化领域具有重要应用前景。然而，稀镁铝钙锰(Mg-Al-Ca-Mn)合金在高温固溶处理时普遍面临异常晶粒生长(Abnormal Grain Growth, AGG)的难题——某些晶粒会突然加速吞噬周围晶粒，形成尺寸达50-100 μm的粗大晶粒，导致强度、延展性和疲劳性能显著恶化。这一现象与材料中第二相粒子的分布特性密切相关，但长期以来缺乏微观机制层面的深入解释。

吉林大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表的最新研究中，以Mg-1Al-0.3Ca-0.5Mn(wt.%)合金为模型，揭示了AGG的起源机制，并通过添加微量钆(Gd)元素成功抑制了这一现象。研究发现，传统合金中Al₈Mn₅相在均匀化处理时会在Al₂Ca相周围发生异常粗化，形成局部钉扎力不连续区域；而添加0.2 wt.% Gd后，合金中形成热力学更稳定的Al₈Mn₄Gd相，使晶粒在500℃高温处理1小时后仍保持~7.7 μm的细小尺寸，实现了强度与塑性的同步提升。

研究采用多尺度表征技术：通过准原位电子背散射衍射(EBSD)追踪晶粒演变过程，高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)结合能谱(EDS)分析相组成，三维X射线衍射对比断层扫描观察颗粒分布，并利用激光共聚焦显微镜(LSCM)量化表面形貌。力学性能测试采用室温拉伸实验，配合电子万能试验机记录应力-应变曲线。

4.1 AGG对力学性能的影响

通过Hall-Petch公式计算发现，含Gd合金因晶粒细化获得的晶界强化优势达13.4 MPa，与实测强度差(~13 MPa)高度吻合。拉伸测试显示，无Gd合金的断裂延伸率(19.5%)显著低于含Gd合金(25.6%)，LSCM观察到粗大晶粒与基体间存在高度差，变形不协调导致界面应力集中引发早期开裂。

4.2 AGG的底层机制

TKD-STEM联用分析表明，无Gd合金中Al₈Mn₅相呈现双峰分布——既有异常粗化的棒状相(长轴>500 nm)，又存在大量纳米级块状相，形成分散体自由区(DFZ)；而含Gd合金中Al₈Mn₄Gd相均匀分布(尺寸~200 nm)，提供持续Zener钉扎力。值得注意的是，Gd元素优先进入Al-Mn相而非晶界偏聚，这与高Gd含量合金的机制截然不同。

4.3 异常粗大析出相的起源

三阶段均匀化处理过程的追踪显示：在400℃第一阶段，无Gd合金中Al₂Ca相周围Al₈Mn₅相因晶格畸变和Al原子供应优势发生选择性粗化；450℃第二阶段Al₂Ca溶解后，这些相通过Ostwald熟化进一步长大。而含Gd合金中，热力学计算证实Al₈Mn₄Gd相较Al₈Mn₅相吉布斯自由能更低，抑制了不均匀粗化。

该研究不仅阐明了稀镁合金AGG的相间作用机制，更通过0.2 wt.% Gd的微量添加实现了"四两拨千斤"的效果——相变调控使第二相分布均匀化，突破传统镁合金高温组织稳定性瓶颈。这种"相工程"策略为开发高性能热加工镁合金提供了新范式，对推动镁合金在汽车底盘等高温部件的应用具有重要实践意义。研究还提示其他稀土元素可能具有类似效果，为后续材料体系设计开辟了新方向。