热轧高强度WE43镁稀土合金的系统研究：成形性、微观结构、力学性能与强化机制

推荐：为解决传统铸造WE43镁稀土(RE)合金强度不足、稀土元素价值未充分发挥的问题，研究人员系统研究了热轧工艺参数(温度480-520°C、压下率20-90%)和T5时效处理(225°C×0-64h)对合金成形性、微观结构和力学性能的影响。研究发现500°C热轧配合50%压下率及4h时效处理后，合金屈服强度(YS)达316MPa，较铸态提升82%，强化主要源于晶粒细化、沉淀相(β''和β')强化及织构强化。该研究为低成本制备高强度Mg-RE合金提供了工艺参考。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车工业等领域展现出巨大应用潜力。其中WE43(Mg-4Y-3Nd-0.5Zr)镁稀土(RE)合金因其优异的比强度和耐蚀性，已成为最成功的商用镁合金之一。然而当前WE43合金主要通过传统铸造方法制备，存在晶粒粗大(约31μm)、铸造缺陷等问题，导致其强度(屈服强度仅125MPa)远未达到稀土元素应有的强化效果。更关键的是，昂贵的稀土元素(Y、Nd)未能充分发挥价值，这既增加了成本又限制了工程应用。如何通过简便、低成本的加工工艺提升WE43合金性能，成为学术界和工业界共同关注的难题。

针对这一挑战，Ming Sun团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，系统探索了热轧工艺对WE43合金性能的调控机制。研究人员采用金属型重力铸造制备WE43合金铸锭，经530°C×10h固溶(T4)处理后，在480-520°C温度区间以20-90%不同压下率进行多道次热轧，随后进行225°C时效(T5)处理。通过X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)等技术表征微观结构，结合室温拉伸试验分析力学性能，并建立强化机制定量模型。

3.1 铸态与固溶态WE43合金的微观结构

铸态合金主要由α-Mg基体和网状共晶相Mg₂₄Y₅/Mg₁₂Nd组成，平均晶粒尺寸31±5μm。经T4处理后共晶相溶解，但晶粒显著粗化至78±6μm，导致屈服强度从125MPa降至110MPa，但延伸率从4.7%提升至6.4%。

3.2 热轧参数的优化

成形性分析表明：480°C轧制时出现宏观裂纹，520°C导致晶粒过度长大，500°C为最佳温度；压下率超过80%会产生边缘裂纹。EBSD显示50%压下率样品晶粒最细(7.6μm)，而80%压下率因多道次中间退火反而使晶粒粗化至14.3μm。

3.3 轧制压下率对微观结构的影响

随着压下率从20%增至50%，变形孪晶数量增加，动态再结晶(DRX)程度提高。50%压下率样品呈现典型的(0001)基面织构，最大织构强度为13.612。TEM证实热轧态存在大量位错，但未观察到动态析出相。

3.4 T5处理后的结构演变

时效处理后变形孪晶消失，静态再结晶(SRX)导致晶粒进一步细化。50%压下率+T5处理的样品晶粒尺寸仅5.1μm，析出高密度β''(DO₁₉结构)和β'-Mg₁₂NdY相，但未观察到常见β₁相。值得注意的是，低压下率(20-30%)样品时效后织构强度反常增加，可能与原始不均匀晶粒结构有关。

3.5 力学性能与断裂机制

最优性能出现在50%压下率+T5处理样品：屈服强度(YS)316MPa、抗拉强度(UTS)352MPa，较铸态-T6处理分别提升82%和57%，但延伸率(EL)仅3.4%。断口分析显示均为解理台阶与撕裂棱组成的准解理断裂。强化机制定量分析表明：沉淀强化(σ_Ppt≈139MPa)和晶界强化(σ_GB≈89MPa)是主要贡献源，而位错强化(σ_Dis)在时效过程中基本消失。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了热轧工艺参数与WE43合金性能的构效关系，突破性地通过常规热轧+时效使合金强度达到航空航天应用门槛(UTS>350MPa)。相比差异轧制(DSR)、累积背向挤压(ABE)等复杂工艺，该方案具有成本低、易规模化优势。作者建议未来可采用实验设计-响应面法(DoE-RSM)进一步优化参数，并探索电塑性轧制等新工艺。这些发现为最大化稀土元素价值、推动镁合金在轻量化领域的应用提供了重要理论支撑和实践指导。