Sc微合金化提升激光粉末床熔融Mg-Gd合金的成形性、晶粒细化及强塑性协同效应

为解决镁合金在激光粉末床熔融(LPBF)技术中存在的成形窗口窄、力学性能不足等问题，上海交通大学的研究团队通过引入Sc元素开发了新型Mg-10Gd-1Sc-Zr(GSc101K)合金。研究表明Sc的添加显著降低了粉末激光反射率，将LPBF工艺窗口扩大至相对密度>99%；通过优先偏聚至α-Mg晶核降低形核能垒，实现了晶粒细化(4.26μm)和织构弱化；LPBF态合金延伸率达14%，经T6热处理后抗拉强度达395MPa并保持4%延伸率，实现了强塑性协同提升。该研究为航空航天领域高性能增材制造镁合金的开发提供了新思路。

　　

镁合金因其低密度、高比强度等特性，在航空航天等领域展现出巨大应用潜力。然而传统铸造和变形加工难以制造复杂结构件，激光粉末床熔融(LPBF)技术虽能实现复杂构件成形，但现有Mg-10Gd-Zr(G10K)合金存在工艺窗口窄(易产生气孔、未熔合等缺陷)、力学性能不足等瓶颈问题。更棘手的是，高稀土含量合金易出现应力开裂，而低稀土含量合金又难以满足强度要求，这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了工程应用。

针对这一挑战，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心的研究团队创新性地在预合金粉末中引入Sc元素，开发出新型Mg-10Gd-1Sc-Zr(GSc101K)合金。通过系统研究LPBF成形性、显微组织特征、热处理工艺和力学性能，发现Sc的添加在多个维度实现了突破性改进：Sc通过在粉末表面形成微沟槽使激光反射率降低28.6%，将LPBF工艺窗口显著拓宽；通过优先偏聚至α-Mg晶核降低形核能垒，完全消除了G10K合金中常见的粗大层状晶，平均晶粒尺寸从27.93μm细化至4.26μm；Sc的固溶还激活了非基面滑移系，使LPBF态合金延伸率提升56%至14%。经过420°C×4h固溶+175°C×256h时效的优化T6热处理后，合金抗拉强度达395MPa，同时保持4%的工程延伸率，实现了强度与塑性的协同提升。相关研究成果发表在《Journal of Magnesium and Alloys》上。

研究主要采用激光粉末床熔融技术制备试样，通过UV/Vis/NIR分光光度计测定粉末激光反射率，利用电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒取向，结合透射电镜(TEM)观察析出相形貌，并采用CALPHAD方法进行热力学计算。力学性能测试通过电子万能试验机完成，同时使用维氏硬度计评估时效硬化行为。

在成形性方面，研究揭示Sc的添加使熔池形态更接近传导模式，熔池深宽比显著降低，波动幅度减小，从而有效抑制了气孔、未熔合和球化缺陷。通过参数优化，GSc101K合金在P150v600参数下获得99.8%的相对密度，较G10K合金的成形窗口显著拓宽。显微组织分析显示，Sc通过降低α-Mg形核能垒的独特机制实现晶粒细化，该作用不同于传统的成分过冷机制。热力学计算表明，Sc优先分配至固相中，初始凝固区域Sc含量可达2.78wt.%，使α-Mg形核驱动力提升。力学性能测试证实，LPBF态GSc101K合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到233MPa、300MPa和14%，其中延伸率较G10K合金提升56%。变形机理分析通过GROD和KAM图证实，Sc的固溶激活了非基面滑移系，TEM观察也发现大量非基面位错的存在。

经过系统优化的T6热处理后，420T6状态的合金中β'-Mg₇Gd析出相尺寸最小(7.31nm)、数量密度最高，对应峰值硬度达125.4HV，硬度增量ΔHV为43.5。最终获得的抗拉强度395MPa与延伸率4%的组合，显著优于G10K合金及其他已报道的LPBF镁合金。与同类材料对比，GSc101K合金在强度-塑性积(UTS*El.)指标上展现出明显优势：LPBF态达4156.1MPa·%，420T6态达1540.5MPa·%，为航空航天领域复杂结构件的轻量化设计提供了优质候选材料。

该研究的创新价值主要体现在三方面：首先，通过Sc微合金化解决了LPBF镁合金"高强度-高成形性"难以兼得的关键难题；其次，揭示了Sc通过降低形核能垒而非传统成分过冷的独特细化机制；最后，开发出兼具优异打印性能(相对密度>99%)和力学性能(抗拉强度395MPa+延伸率4%)的新型合金体系。这些发现不仅为增材制造镁合金的成分设计提供了新思路，其揭示的Sc作用机制也可推广至其他合金体系，具有重要的科学意义和工程应用价值。