激光粉末床熔合制備高強度Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr合金的組織演變及力學(xué)性能

供稿人:曹福升 魯中良 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


鎂(Mg)合金由于其低密度、高比強度和比剛度，在汽車、空間和飛機領(lǐng)域中具有明顯的減重效果。為了在許多關(guān)鍵的工程領(lǐng)域使用鎂合金作為輕質(zhì)承重元件，追求具有改進的機械性能的鎂合金一直是一個永恒的主題。本文采用LPBF和后處理方法制備了高強度Mg-10Gd-3Y–1Zn-0.4Zr(GWZ1031K，wt%)合金。

圖1 (a)在LPBF過程中的蒸發(fā)煙霧和(b)已建造的GWZ1031K樣品的側(cè)視圖，其中紅色橢圓形表示宏觀裂紋。

圖1a是LPBF的加工過程。由于Mg的低沸點（~1093℃）和高飽和蒸汽壓，在整個LPBF過程中發(fā)現(xiàn)了大量的蒸發(fā)煙霧只有在鎂、鋅合金等低沸點金屬的LPBF過程中才會發(fā)生劇烈的粉濺，影響LPBF過程的穩(wěn)定性，改變構(gòu)建合金的化學(xué)成分。蒸發(fā)煙霧不能通過循環(huán)氬氣消除，其中一些在打印過程中保持在掃描區(qū)域上方。掃描區(qū)域上方的剩余煙霧反射激光能量，從而使激光能量變得不穩(wěn)定。激光能量過高或過低都會導(dǎo)致孔隙和宏觀裂紋等缺陷。此外，蒸發(fā)性煙霧會導(dǎo)致比預(yù)設(shè)的層厚度更高，更容易出現(xiàn)缺陷。劇烈的粉末飛濺會在激光掃描區(qū)域產(chǎn)生凹陷。打印的試樣側(cè)面（XOZ平面）偶爾可見宏觀裂紋（圖1b）。

圖2顯示了在建GWZ1031K合金（0001）平面的逆極點圖(IPF)、IQ圖、粒度分布和極點圖。所構(gòu)建的GWZ1031K合金由相對均勻的等軸晶粒組成，沒有大的柱狀晶粒(圖2a-b)，因為合金元素含量高，特別是足夠的Zr元素，導(dǎo)致生長限制因子值高。該構(gòu)建合金的平均晶粒尺寸僅為4.1±0.5µm(圖2c)。（0001）平面的極點圖為集中分布（圖2d），但紋理的最大強度低至2.813泥（多次均勻分布）。因此，所構(gòu)建的GWZ1031K合金是均勻且各向同性的。

圖3顯示了GWZ1031K合金中基底γ`沉淀物的亮場透射電鏡圖像。在Mg-Gd-Y系列合金中加入Zn會導(dǎo)致稀土原子(Gd和Y原子)和Zn原子的共分離，這是形成具有ABCA有序堆積序列的基礎(chǔ)γ`沉淀所必需的。ɑ-Mg和γ`沉淀物之間的取向關(guān)系為和。雖然在GWZ1031K合金中沒有層狀的14H-LPSO結(jié)構(gòu)，但在溶液熱處理過程中，14H-LPSO結(jié)構(gòu)可能從γ`沉淀轉(zhuǎn)化，因為基底γ′沉淀物是14H-LPSO結(jié)構(gòu)的基本單位，高溫可以促進原子的擴散。

圖2對已構(gòu)建的GWZ1031K合金的EBSD觀測： (a)IPF，(b)IQ圖，(c)晶粒度分布，(d)（0001）平面的極點圖

圖3已構(gòu)建的GWZ1031K合金中基底γ‘沉淀物的亮場透射電鏡圖像。

圖4是在500℃下固溶處理的BSE-SEM圖像。 GWZ1031K合金中的共晶相在500℃固溶熱處理10h后可以完全溶解。 然而， GWZ1031K合金中的共晶相只有在500℃的短期固溶熱處理1h后，才完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я��?nèi)的層狀LPSO結(jié)構(gòu)和晶界處的X相結(jié)構(gòu)。 極細的晶粒顯著縮短了原子的擴散距離，減少了共晶相的含量，促進了共晶相的溶解。 隨著溶解時間的增加，晶粒內(nèi)部的層狀LPSO結(jié)構(gòu)變密，晶粒生長。

圖4 GWZ1031K合金在500℃下固溶處理的BSE-SEM圖像 (a，b)1h；(c，d)4h。

圖5顯示了經(jīng)固溶處理的GWZ1031K合金在500℃下在不同時間下的室溫拉伸性能。GWZ1031K合金在500℃處理1h后的拉伸強度(YS和UTS)和延性(EL)在其他固溶處理時間中均最高。因此，500℃固溶GWZ1031K合金的最佳固溶時間為1h，將LPBF-T4-1 GWZ1031K合金定義為500℃處理1 h的固化GWZ1031K合金。

    圖5固溶處理GWZ1031K合金在500℃不同時間下的(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b)室溫拉伸性能。

參考文獻：

    鄧Q，吳Y，吳Q，等。 激光粉末床熔合制備高強度Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4 Zr合金的組織演變及力學(xué)性能[J]. 增材制造，2022 年，49：102517。