上海交大彭立明團(tuán)隊(duì)MSEA：激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)制備高強(qiáng)塑性Mg-Gd-Zn-Zr合金

來源：材料學(xué)網(wǎng)

激光選區(qū)熔化（Selective laser melting, SLM）是一種最有前景的金屬增材制造技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金構(gòu)件的制備以取代傳統(tǒng)的鑄造和塑性變形技術(shù)。目前鎂合金的SLM研究主要針對(duì)商業(yè)化的鑄造鎂合金牌號(hào)（如AZ91D、AZ31B、ZK60和WE43等），但是這些合金牌號(hào)不一定適合SLM快速凝固非平衡工藝，因此需要開發(fā)SLM專用高性能鎂合金成分。Mg-Gd系鎂稀土合金是一類廣泛報(bào)導(dǎo)的高強(qiáng)度鑄造和變形鎂合金，但是Mg-Gd系鎂稀土合金的SLM制備還沒有其他研究者報(bào)道。采用SLM來制備Mg-Gd系鎂稀土合金能否獲得高性能？此外，采用SLM制備高性能Mg-Gd系鎂稀土合金有利于發(fā)揮中國(guó)的鎂與稀土資源優(yōu)勢(shì)。

成果簡(jiǎn)介

上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心的彭立明教授和吳玉娟副研究員（通訊作者）團(tuán)隊(duì)以Mg-11Gd-2Zn-0.4Zr (GZ112K, wt.%)為研究對(duì)象，通過工藝參數(shù)優(yōu)化制備了致密度高達(dá)99.754%的樣品，對(duì)SLM態(tài)GZ112K合金進(jìn)行了詳細(xì)的固溶和時(shí)效熱處理工藝優(yōu)化來進(jìn)一步改善顯微組織和提升力學(xué)性能。相比于其他SLM態(tài)鎂合金和高強(qiáng)度鑄造-T6態(tài)Mg-Gd系鎂稀土合金，SLM態(tài)、SLM-T4態(tài)和SLM-T6態(tài)GZ112K合金的室溫拉伸性能具有顯著的優(yōu)勢(shì)：SLM態(tài)展現(xiàn)優(yōu)異的強(qiáng)塑性協(xié)同作用，SLM-T4態(tài)的塑性最高，SLM-T6態(tài)的強(qiáng)度最高。上述成果以“Effect of heat treatment on microstructure evolution and mechanical properties of selective laser melted Mg-11Gd-2Zn-0.4Zr alloy”為題于2021年10月2日在Materials Science & Engineering A上在線發(fā)表。

圖文導(dǎo)讀

圖1 SLM態(tài)GZ112K合金的顯微組織照片

合理的工藝參數(shù)使得SLM態(tài)孔隙率僅為0.246 ± 0.005%，SLM態(tài)GZ112K合金由細(xì)小的ɑ-Mg晶粒（平均晶粒尺寸為1.6 ± 0.5 μm）和網(wǎng)狀β-(Mg,Zn)3Gd共晶相組成，硬脆共晶相的面積分?jǐn)?shù)為4.86 ± 0.44%，因此有必要進(jìn)行后續(xù)熱處理來固溶硬脆共晶相和析出納米級(jí)的時(shí)效相。

圖2 不同溫度下固溶1h的BSE-SEM照片

(a)300℃; (b)350℃; (c) 400℃; (d) 450℃; (e) 480℃; (f) 500℃; (g) 520℃

在一定的溫度范圍（400-480℃）內(nèi)共晶相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы鏧相和晶內(nèi)層片狀LPSO結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)比較不同固溶溫度和時(shí)間的顯微組織和室溫拉伸性能，400℃×12 h為SLM態(tài)GZ112K合金最佳的固溶工藝，既可以實(shí)現(xiàn)共晶相的完全轉(zhuǎn)變（而鑄態(tài)合金在該溫度下無法實(shí)現(xiàn)共晶相的固溶），又避免了晶粒的過度長(zhǎng)大（SLM-T4態(tài)的平均晶粒尺寸為3.1 ± 1.0 μm）。

圖3 SLM-T6態(tài)GZ112K合金的明場(chǎng)TEM照片和選區(qū)電子衍射圖案

電子束分別平行于[2-1-10]α 方向(a, b) 和 [0001]α方向 (c, d)。

SLM-T6態(tài)由基面γ′相和14H-LPSO結(jié)構(gòu)以及棱柱面大量β′時(shí)效析出相組成，基面相和棱柱面相的相互垂直分布可產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)韌化的效果。

圖4 不同狀態(tài)的SLM和鑄造GZ112K合金的室溫拉伸性能

不同狀態(tài)的SLM制備的GZ112K合金相比于鑄態(tài)合金強(qiáng)度和塑性同時(shí)顯著提升，尤其是屈服強(qiáng)度明顯高出很多。

圖5 SLM制備的GZ112K合金與其他SLM態(tài)鎂合金和高強(qiáng)度鑄造-T6態(tài)Mg-Gd系鎂稀土合金的室溫拉伸性能對(duì)比

SLM制備的GZ112K合金的室溫拉伸性能處于右上方，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

小結(jié)

上述研究表明采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)制備高強(qiáng)塑性Mg-Gd系鎂稀土合金具有非常廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)SLM態(tài)獨(dú)特的快速凝固非平衡組織需要專門開發(fā)后續(xù)熱處理制度才能改善顯微組織和力學(xué)性能。SLM加上合適的后續(xù)熱處理工藝可以制備高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎂合金，本文可以為增材制造制備鎂合金構(gòu)件奠定一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。