激光粉末床熔合制备高强度Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr合金的组织演变及力学性能

供稿人:曹福升 鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室


镁(Mg)合金由于其低密度、高比强度和比刚度，在汽车、空间和飞机领域中具有明显的减重效果。为了在许多关键的工程领域使用镁合金作为轻质承重元件，追求具有改进的机械性能的镁合金一直是一个永恒的主题。本文采用LPBF和后处理方法制备了高强度Mg-10Gd-3Y–1Zn-0.4Zr(GWZ1031K，wt%)合金。

图1 (a)在LPBF过程中的蒸发烟雾和(b)已建造的GWZ1031K样品的侧视图，其中红色椭圆形表示宏观裂纹。

图1a是LPBF的加工过程。由于Mg的低沸点（~1093℃）和高饱和蒸汽压，在整个LPBF过程中发现了大量的蒸发烟雾只有在镁、锌合金等低沸点金属的LPBF过程中才会发生剧烈的粉溅，影响LPBF过程的稳定性，改变构建合金的化学成分。蒸发烟雾不能通过循环氩气消除，其中一些在打印过程中保持在扫描区域上方。扫描区域上方的剩余烟雾反射激光能量，从而使激光能量变得不稳定。激光能量过高或过低都会导致孔隙和宏观裂纹等缺陷。此外，蒸发性烟雾会导致比预设的层厚度更高，更容易出现缺陷。剧烈的粉末飞溅会在激光扫描区域产生凹陷。打印的试样侧面（XOZ平面）偶尔可见宏观裂纹（图1b）。

图2显示了在建GWZ1031K合金（0001）平面的逆极点图(IPF)、IQ图、粒度分布和极点图。所构建的GWZ1031K合金由相对均匀的等轴晶粒组成，没有大的柱状晶粒(图2a-b)，因为合金元素含量高，特别是足够的Zr元素，导致生长限制因子值高。该构建合金的平均晶粒尺寸仅为4.1±0.5µm(图2c)。（0001）平面的极点图为集中分布（图2d），但纹理的最大强度低至2.813泥（多次均匀分布）。因此，所构建的GWZ1031K合金是均匀且各向同性的。

图3显示了GWZ1031K合金中基底γ`沉淀物的亮场透射电镜图像。在Mg-Gd-Y系列合金中加入Zn会导致稀土原子(Gd和Y原子)和Zn原子的共分离，这是形成具有ABCA有序堆积序列的基础γ`沉淀所必需的。ɑ-Mg和γ`沉淀物之间的取向关系为和。虽然在GWZ1031K合金中没有层状的14H-LPSO结构，但在溶液热处理过程中，14H-LPSO结构可能从γ`沉淀转化，因为基底γ′沉淀物是14H-LPSO结构的基本单位，高温可以促进原子的扩散。

图2对已构建的GWZ1031K合金的EBSD观测： (a)IPF，(b)IQ图，(c)晶粒度分布，(d)（0001）平面的极点图

图3已构建的GWZ1031K合金中基底γ‘沉淀物的亮场透射电镜图像。

图4是在500℃下固溶处理的BSE-SEM图像。 GWZ1031K合金中的共晶相在500℃固溶热处理10h后可以完全溶解。 然而， GWZ1031K合金中的共晶相只有在500℃的短期固溶热处理1h后，才完全转变为晶粒内的层状LPSO结构和晶界处的X相结构。 极细的晶粒显着缩短了原子的扩散距离，减少了共晶相的含量，促进了共晶相的溶解。 随着溶解时间的增加，晶粒内部的层状LPSO结构变密，晶粒生长。

图4 GWZ1031K合金在500℃下固溶处理的BSE-SEM图像 (a，b)1h；(c，d)4h。

图5显示了经固溶处理的GWZ1031K合金在500℃下在不同时间下的室温拉伸性能。GWZ1031K合金在500℃处理1h后的拉伸强度(YS和UTS)和延性(EL)在其他固溶处理时间中均最高。因此，500℃固溶GWZ1031K合金的最佳固溶时间为1h，将LPBF-T4-1 GWZ1031K合金定义为500℃处理1 h的固化GWZ1031K合金。

    图5固溶处理GWZ1031K合金在500℃不同时间下的(a)工程应力-应变曲线和(b)室温拉伸性能。

参考文献：

    邓Q，吴Y，吴Q，等。 激光粉末床熔合制备高强度Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4 Zr合金的组织演变及力学性能[J]. 增材制造，2022 年，49：102517。