Metals Advances》：热处理调控LPSO相，实现电弧熔丝定向能量沉积稀土镁合金的高温强塑协同
导读
电弧熔丝定向能量沉积（Wire-arc directed energy deposited, WA-DED）为大型、复杂镁合金构件的制备提供了高效途径。然而，镁合金在高温下容易出现强度下降，如何通过组织调控兼顾强度与塑性，是推动其应用的重要问题。
近日，我院韩恩厚院士团队联合华南理工大学、广东工业大学研究人员，以WA-DED制备的Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.5Zr（GWZ1031K）合金为对象，通过改变固溶处理后的冷却速率，调控长周期堆垛有序（LPSO）相的形貌与分布。其中，空冷样品在200 ℃下获得约280 MPa的抗拉强度和18.2%的断后伸长率，表现出良好的高温强塑协同。相关成果以“Superior elevated-temperature strength-ductility synergy of wire-arc directed energy deposited Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.5Zr alloy by introducing lamellar LPSO phase via varying the cooling rate”为题，发表在材料领域重要期刊《Metals Advances》上。论文第一作者为华南理工大学与我院联合培养博士生李家民，通讯作者为闫昌建副研究员、薛超超副教授和韩恩厚院士。
正文
稀土元素与锌形成的LPSO相，是改善镁合金力学性能的重要组织单元。但LPSO相并非越多越好：其形貌、位置以及析出过程中基体保留的溶质，都会影响最终性能。研究团队将目光放在一个易于调节的工艺环节——固溶处理后的冷却过程。实验采用WA-DED制备GWZ1031K稀土镁合金薄壁件，对样品进行510 ℃、12 h固溶处理，再分别采用水淬、空冷和炉冷三种冷却方式，冷却方式改变了溶质原子的扩散时间，也使合金形成了不同的LPSO相组织。
图1. 电弧熔丝过程、固溶及冷却制度，以及三种状态的光学显微组织
组织差异最终体现在拉伸性能上。室温下，空冷样品的抗拉强度约为274 MPa、断后伸长率为13.7%，两项指标均优于水淬和炉冷样品。升温至200 ℃后，空冷样品仍具有约280 MPa的抗拉强度和18.2%的断后伸长率；水淬、炉冷样品的抗拉强度分别约为270 MPa和249 MPa，伸长率则与空冷样品接近。空冷的优势在于保持较高塑性的同时，获得了三种状态中最高的高温强度。
图2. 三种冷却状态在室温和200 ℃下的拉伸曲线、性能统计，以及与已报道镁稀土合金高温性能的比较
为什么层片状LPSO相更多的炉冷样品，强度反而低于空冷样品？研究认为，过度析出会消耗α-Mg基体中的Gd、Y、Zn溶质，削弱固溶强化作用。空冷则形成了较合适的组织组合：块状LPSO相分布于晶界附近，晶内层片状LPSO相阻碍位错运动，同时基体仍保留一定的固溶强化能力。多种作用共同改善了高温变形时的强度与塑性匹配。
图3. 不同冷却速率下LPSO相的演变及空冷样品的强化机制示意图
这项研究表明，针对WA-DED镁稀土合金，合理选择固溶后的冷却方式，就能有效调控LPSO相与基体溶质之间的平衡。空冷方案无需增加复杂的时效步骤，为高性能耐热镁合金构件的组织设计与热处理工艺优化提供了新思路。
官方微信