上海交大《JAC》：激光粉末床熔融制备强塑性匹配的镁稀土合金！

来源：材料科学与工程

Mg-Gd系镁稀土合金通常要先在高温下固溶热处理，再低温下人工时效处理才能获得足够的强度，本文通过激光粉末床熔融（laser powderbed fusion, LPBF）金属增材制造技术直接制备了强塑性匹配的Mg-10Gd-0.2Zr镁稀土合金。优异的强塑性匹配来源于打印态Mg-10Gd-0.2Zr合金的多尺度分级显微组织：异质晶粒结构、晶内的层片状亚结构和纳米尺寸的析出相。此外，首次在打印态Mg-10Gd-0.2Zr合金中发现了大量晶内的块状β1相的反常析出。上述研究结果表明LPBF过程独特的热和应变历史可用来选择性调控析出相的种类、面积数密度、形貌和分布，从而调控力学性能。

上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心彭立明教授团队以Mg-10Gd-0.2Zr(G10K, wt.%)为研究对象，研究了LPBF过程独特的热历史对打印态G10K合金的显微组织和力学性能的影响，并和半连铸态合金进行对比。打印态G10K合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为203 ± 4 MPa，271 ± 4 MPa和10.3 ± 1.1%，而半连铸态合金分别为146 ± 2 MPa，225 ± 5 MPa和7.0 ± 0.1%。上述成果以“Laser powderbed fusion of an age-hardenable Mg-10Gd-0.2Zr alloy with excellent strength-ductility synergy”为题在Journal of Alloys and Compounds期刊上在线发表，博士生邓庆琛为第一作者，吴玉娟研究员和重庆大学张宇副教授为共同通讯作者。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164863

打印态G10K合金为细小等轴晶和粗大柱状晶组成的异质晶粒结构：细小等轴晶的面积分数为3.88%，平均晶粒尺寸仅为3.2 ± 1.4 μm，无织构；柱状晶的平均长度和宽度分别为69 ± 28 μm和18 ± 12 μm，柱状晶内部存在层片状亚结构且呈现较强的基面织构；打印态G10K合金内部小角度晶界比例更高，局部应变分布不均匀，平均KAM值更大。半连铸态G10K合金由均匀的等轴晶组成，平均晶粒尺寸为30.4 ± 15.2 μm。

图1 打印态(a-e)和半连铸态(f)G10K合金显微组织表征

图2 打印态(a, c, e)和半连铸态(b, d, f)G10K合金的XRD宏观织构(a, b)和EBSD表征(c-f)

图3 打印态G10K合金中的晶内析出相

打印态G10K合金中存在大量的晶内析出相，较大的块状β1相和小的透镜状β′相聚集分布，β1相的形貌和分布都显著区别于传统峰时效态Mg-Gd合金（菱形，连接两个β′相）。打印态G10K合金中很有可能是先析出较大的β1相，再在β1相周围析出大量细小的β′相。

图4 打印态和半连铸态G10K合金的室温拉伸曲线(a)和打印态G10K合金与其他打印态镁合金的室温拉伸性能对比(b)

强塑积和材料的韧性（应力应变曲线的积分面积）正相关，更高的强塑积代表更高的韧性，打印态G10K合金和其他打印态镁合金相比具有显著更优异的强塑性匹配。

图5 打印态和半连铸态G10K合金热处理前后的室温拉伸性能

LPBF过程快速凝固导致打印态G10K合金中共晶相较少，可直接进行时效热处理。和铸造-T6态相比，打印态G10K合金拉伸强度低但是塑性更好，LPBF-T5态屈服强度更高，抗拉强度相当但是塑性更差。