上海交大《JAC》：激光粉末床熔融制備強(qiáng)塑性匹配的鎂稀土合金！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

Mg-Gd系鎂稀土合金通常要先在高溫下固溶熱處理，再低溫下人工時(shí)效處理才能獲得足夠的強(qiáng)度，本文通過(guò)激光粉末床熔融（laser powderbed fusion, LPBF）金屬增材制造技術(shù)直接制備了強(qiáng)塑性匹配的Mg-10Gd-0.2Zr鎂稀土合金。優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配來(lái)源于打印態(tài)Mg-10Gd-0.2Zr合金的多尺度分級(jí)顯微組織：異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)、晶內(nèi)的層片狀亞結(jié)構(gòu)和納米尺寸的析出相。此外，首次在打印態(tài)Mg-10Gd-0.2Zr合金中發(fā)現(xiàn)了大量晶內(nèi)的塊狀β1相的反常析出。上述研究結(jié)果表明LPBF過(guò)程獨(dú)特的熱和應(yīng)變歷史可用來(lái)選擇性調(diào)控析出相的種類、面積數(shù)密度、形貌和分布，從而調(diào)控力學(xué)性能。

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心彭立明教授團(tuán)隊(duì)以Mg-10Gd-0.2Zr(G10K, wt.%)為研究對(duì)象，研究了LPBF過(guò)程獨(dú)特的熱歷史對(duì)打印態(tài)G10K合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響，并和半連鑄態(tài)合金進(jìn)行對(duì)比。打印態(tài)G10K合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為203 ± 4 MPa，271 ± 4 MPa和10.3 ± 1.1%，而半連鑄態(tài)合金分別為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”為題在Journal of Alloys and Compounds期刊上在線發(fā)表，博士生鄧慶琛為第一作者，吳玉娟研究員和重慶大學(xué)張宇副教授為共同通訊作者。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164863

打印態(tài)G10K合金為細(xì)小等軸晶和粗大柱狀晶組成的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)：細(xì)小等軸晶的面積分?jǐn)?shù)為3.88%，平均晶粒尺寸僅為3.2 ± 1.4 μm，無(wú)織構(gòu)；柱狀晶的平均長(zhǎng)度和寬度分別為69 ± 28 μm和18 ± 12 μm，柱狀晶內(nèi)部存在層片狀亞結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)較強(qiáng)的基面織構(gòu)；打印態(tài)G10K合金內(nèi)部小角度晶界比例更高，局部應(yīng)變分布不均勻，平均KAM值更大。半連鑄態(tài)G10K合金由均勻的等軸晶組成，平均晶粒尺寸為30.4 ± 15.2 μm。

圖1 打印態(tài)(a-e)和半連鑄態(tài)(f)G10K合金顯微組織表征

圖2 打印態(tài)(a, c, e)和半連鑄態(tài)(b, d, f)G10K合金的XRD宏觀織構(gòu)(a, b)和EBSD表征(c-f)

圖3 打印態(tài)G10K合金中的晶內(nèi)析出相

打印態(tài)G10K合金中存在大量的晶內(nèi)析出相，較大的塊狀β1相和小的透鏡狀β′相聚集分布，β1相的形貌和分布都顯著區(qū)別于傳統(tǒng)峰時(shí)效態(tài)Mg-Gd合金（菱形，連接兩個(gè)β′相）。打印態(tài)G10K合金中很有可能是先析出較大的β1相，再在β1相周圍析出大量細(xì)小的β′相。

圖4 打印態(tài)和半連鑄態(tài)G10K合金的室溫拉伸曲線(a)和打印態(tài)G10K合金與其他打印態(tài)鎂合金的室溫拉伸性能對(duì)比(b)

強(qiáng)塑積和材料的韌性（應(yīng)力應(yīng)變曲線的積分面積）正相關(guān)，更高的強(qiáng)塑積代表更高的韌性，打印態(tài)G10K合金和其他打印態(tài)鎂合金相比具有顯著更優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。

圖5 打印態(tài)和半連鑄態(tài)G10K合金熱處理前后的室溫拉伸性能

LPBF過(guò)程快速凝固導(dǎo)致打印態(tài)G10K合金中共晶相較少，可直接進(jìn)行時(shí)效熱處理。和鑄造-T6態(tài)相比，打印態(tài)G10K合金拉伸強(qiáng)度低但是塑性更好，LPBF-T5態(tài)屈服強(qiáng)度更高，抗拉強(qiáng)度相當(dāng)?shù)�是塑性更差�?br />