Improved mechanical properties of highly alloyed Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn alloys via tailoring LPSO phase structure

LPSO相结构调控提升高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力学性能

作者信息：

Zhiying Zheng ^a b, Zhihua Dong ^a b, Cuihong Wang ^a b, Yulun Luo ^a b, Shengwen Bai ^a b, Ang Zhang ^a b, Jiangfeng Song ^a b, Bin Jiang ^a b

a National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

b National Key Laboratory of Advanced Casting Technologies, College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100007

文章介绍：

镁（Mg）及其合金因具有低密度和高比强度的特性，在汽车、航空、航天及3C领域被广泛应用以实现减重目标。然而，大多数镁合金的强度相对较低，难以满足实际应用中的高性能要求。大量研究表明，增加稀土（RE）含量是提高镁合金强度的有效途径，主要通过固溶强化和细晶强化实现。例如，随着稀土含量从6.7 wt%增至16.8 wt%，铸态Mg-Gd-Y-Zr合金的强度从107 MPa提升至209 MPa，这主要归因于固溶强化效应的增强。高稀土含量镁合金在热挤压过程中，通过第二相粒子促进动态再结晶（DRX）行为，显著细化晶粒尺寸并进一步提升合金强度。然而，稀土元素在镁基体中的固溶度对化学成分和温度极为敏感，易形成Mg24RE5和Mg5RE等脆性析出相。因此，高合金化Mg-RE合金的强度随稀土含量呈非单调变化，而添加固溶度较大的合金元素（如我们在Mg-10Gd-5Y-xEr合金中的前期研究所示）可在一定程度上进一步提高强度。但大量脆性相的生成使得高合金化镁合金的强度大幅提升仍面临重大挑战。

近年来，长周期堆垛有序（LPSO）相被成功应用于提升镁合金的力学性能[18,19]。该相通常形成于Mg-RE-Zn系合金中，伴随RE与Zn元素的协同偏聚。研究表明，LPSO相能通过扭折机制有效阻碍位错运动并协调塑性变形。此外，LPSO相的形貌与类型对镁合金力学性能和显微组织演变具有重要影响：例如，含有块状LPSO相的Mg-8Gd-1Er-1Zn-0.6Zr合金，其强度和延伸率均优于层状LPSO相合金。LPSO相类型取决于原子堆垛顺序，其中14H和18R型最为常见——14H-LPSO相的扭折界与块状18R-LPSO相可促进动态再结晶（DRX），而层状14H-LPSO相则能抑制DRX晶粒长大。因此，引入LPSO相有望成为调控相组成、减少脆性相析出的有效途径，最终实现高合金化Mg-RE合金力学性能的提升。

本研究针对我们前期工作中具有较高强度的Mg-10Gd-5Y-5Er合金，系统探究了Zn含量对其力学性能与组织演变的影响。通过热力学计算、多尺度结构表征以及不同强化机制的定量贡献评估，深入阐释了其内在作用机理。

中文摘要：

高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er合金虽具有高强度，但脆性Mg24RE5相会加速微裂纹的萌生与扩展，显著劣化其塑性变形能力。为此，需通过调控析出相类型来改善合金综合力学性能。本研究系统探究了Zn含量（x=0、1、2、3和5 wt%）对高合金化Mg-10Gd-5Y-5Er-xZn合金力学性能与组织演变的影响规律。研究发现，随着Zn含量增加，合金抗拉强度持续提升且延伸率未出现恶化，在实验浓度范围内获得298 MPa的屈服强度与406 MPa的抗拉强度峰值。热力学计算与显微组织表征表明：Zn含量增加促使析出相从Mg24RE5相转变为长周期堆垛有序（LPSO）相及层状结构，该转变通过改变基体溶质原子浓度影响动态再结晶行为，进而调控固溶强化与细晶强化对屈服强度的贡献。特别值得注意的是，当Zn含量较高（x>2 wt%）时，块状LPSO相通过类似短纤维强化的机制显著提升合金强度。这种通过增加块状LPSO相体积分数来改善力学性能的策略，可推广至多种含LPSO相的镁合金体系。