重庆大学《Mater Des》：一种镝改性的高强高塑镁合金！

2022-08-29 14:33:58 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

日前，来自重庆大学等单位的研究人员成功制备了Mg-8Zn-1Mn-3Sn-1.2Gd-0.2Dy合金，具有良好的抗拉强度和塑性组合。相关论文以题为“A high-strength Mg-8Zn-1Mn-3Sn-1.2Gd alloy with fine MgSnGd particles by Dy modification”发表在Materials & Design上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522004488

镁(Mg)合金密度最低，强重比高，具有良好的导电性和导热性，具有优良的电磁屏蔽效果。因此，镁合金是汽车、航空航天、电子等领域最有前途的结构材料之一。镁合金具有诸多优点，但其绝对强度较低，缺乏有效析出相，室温成形性较差，限制了镁合金作为结构材料的应用。

高强度、高韧性镁合金是今后研究的热点。为了提高镁合金的力学性能，包括合金化、变形和热处理，人们已经进行了数十年的系统研究。稀土合金化是提高镁合金强度最常用的方法，其强化机制为析出硬化强化和固溶强化。然而，典型的高强度镁合金具有较高的稀土(RE)添加量(RE> wt%)。例如，Li等开发了一种屈服强度(YS)为470 MPa，伸长率为4.5%的高强度Mg-13Gd合金。Yu等人提到Mg-11.7Gd-4.9Y-0.3Zr合金，在所有Mg-RE合金中屈服强度最高(500 MPa)，但伸长率仅为2.5%。这些合金强度高，塑性低，稀土含量高，成本高。低合金化条件下的高性能镁合金是目前研究领域的热点。Mg-Zn-Mn-Sn合金以其较高的抗拉强度和较低的生产成本在该领域引起了广泛的关注。Chen等人通过添加Sn对Mg-Zn-Mn-Ca合金的力学行为进行了研究，得到了抗拉强度为332 MPa，伸长率为10.0%的高强度高塑性合金。Zhao等人报道了Mg-Zn-Mn-Sn-Gd合金在强度和塑性之间的良好平衡。尽管如此，由于稀土元素的加入，在凝固过程中形成了高熔点的金属间化合物MgSnRE相，其尺寸普遍较粗且难以控制，严重影响了合金的性能。

众所周知，凝固过程中形成的第二相，不仅对铸态合金的组织和力学性能有显著影响，而且对其进一步的加工性能(挤压)和最终性能(热处理)也有显著影响。因此，改变镁合金中第二相的形态、分布和尺寸是至关重要的。目前关于第二相粒子调控的研究较多，包括TiC、AlN、Mg2Si、TiB2等。如Xiao等报道了Sb改性Mg2Si/AZ91复合材料中Mg2Si的改性机理。Li等人研究了加入Eu后Al-Si合金中共晶Si的改性。超声处理、快速凝固、机械加工、热处理等多项研究和技术取得了显著进展。上述方法，均能有效调控第二相颗粒，但复杂、成本高、产业化难度极大。Xue等人指出了La掺杂AZ80-Ce镁合金中Al-RE管状相的形成机理。通过掺杂相邻的稀土元素La，发现了一种调节Al-Ce相形貌的新方法，La原子可以取代Al-Ce相中的Ce原子，增加其生长表面，改变其生长速率。本研究为第二相的调控提供了新的思路，为镁合金的强化增韧提供了理论依据和参考。

在这里，研究者通过掺杂相邻RE元素调节RE第二相的新思路，通过添加不同含量的Dy元素对MgSnGd相进行了修饰。结果表明，Dy能有效改善MgSnGd晶粒的形貌和分布，减小α-Mg基体的尺寸，从而开发出综合力学性能优良的新型Mg-8Zn-1Mn-3Sn-Gd-Dy (ZMT813-Gd-Dy)合金。据目前所知，还没有关于Dy改性MgSnGd颗粒的报道。研究者通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、场发射电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)和力学试验，系统研究了MgSnGd第二相调控机制及其对挤压态合金动态再结晶(DRX)行为的影响。此外，研究者还详细讨论了MgSnGd相的Dy改性机理及其对铸态和挤压态ZMT813-1.2Gd合金组织和力学性能的影响。（文：水生）