導讀:通過特殊的超聲波熔體處理制備了超高強韌性鑄態Mg-10Gd-1.7Y-1Zn-0.5Zr（wt.%）合金，并對其峰值時效（200℃、48h）極限拉伸強度進行了研究。室溫下的屈服強度（UTS）、屈服強度（YS）和伸長率（EL）分別達到430 MPa、324 MPa和13.6%。半固態條件下的超聲波處理細化了晶粒并阻礙了鑄造過程中分離的共晶相（α-Mg+Mg 3 Gd）的生長。在固溶處理過程中，精煉的Mg 3Gd相抑制了立方形GdY相和塊14H長周期堆疊結構（14H-LPSO）相的形成，并進一步增加了基體中的溶質濃度。更多的溶質原子促進長寬比增加到8:1的β'板的生長，這可以增加臨界分辨剪切應力（CRSS）、YS和加工硬化率。結果發現，在相同成分和熱處理條件下，β′板的長寬比是提高合金強度的主要原因。

作為輕質結構金屬材料，Mg-Gd-Zn、Mg-Gd-Ag合金等鎂稀土合金比其他鎂合金具有更好的機械性能，因此非常適合在航空航天、軍火等領域使用。目前，抗拉強度（UTS）超過350 MPa的高強Mg-Gd基鑄造合金的延伸率（EL）一般<7%，超高強Mg-Gd基鑄造合金的延伸率（EL）一般<7%。UTS超過400 MPa通常<3%。在α-Mg的（110）棱柱面上形成的β板是位錯-粒子相互作用機制中阻礙位錯滑移的最有效屏障。然而，在具有大縱橫比的（0001）基面上形成的γ板也被認為是阻礙β相形成和粗化的關鍵強化相。通常在鎂合金中加入更多的稀土，通過使用更高密度的納米沉淀物來釘扎和儲存更多的位錯來提高強度，而脆性相的引入不可避免地降低了延展性。在指數應變硬化（ESH）模型中，提高加工硬化率是同步提高強度和均勻延伸（SISUE）效應的最重要因素。此外，當Fe含量超過100 ppm時，鎂合金的耐腐蝕性和塑性將嚴重降低。開發新的熔煉和鑄造工藝以實現高純度、化學成分均勻和細晶粒非常重要。超聲波在熔體凈化和晶粒細化方面具有良好的應用，有望解決這些問題。

為此，重慶理工大學聯合重慶大學蔣斌教授團隊報道了Mg-10 Gd-1.7Y-1Zn0.5Zr合金的進展，同時進一步開發了鑄態Mg-10Gd-1.7Y-1Zn-0.5Zr鎂合金，研究了超聲波處理對鑄態和時效態合金組織和力學性能的影響。

相關研究成果以“An ultra-high strength and toughness as-cast Mg-10Gd-1.7Y-1Zn-0.5Zr alloy”發表在Journal of Magnesium and Alloys上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724000240

圖1所示。三種合金的加工路線示意圖。

圖2所示。(a) UT3的工程應變-應力曲線，(b) UT3的加工硬化曲線。

圖3所示 。(a) UT1、UT2和UT3鑄態合金的XRD圖譜；SEM 顯微照片顯示了以下鑄態微觀結構：(b) UT1，(c) UT2，(d) UT3；(e)相同時效處理(480 ℃*12 h+200 ℃*48 h)下UT1、UT2和UT3的OM顯微照片。

圖4所示。峰值時效組織的SEM顯微照片（480℃×12 h+200℃×60 h），鎂基體的EDS點：（a）UT 1;峰時效組織的SEM顯微照片（B）UT 2，（c）UT 3;（d）分別為UT 1，UT 2和UT 3的峰時效合金的XRD圖譜;（e-f）長方體形狀相的BF-TEM和SAED，用平行于[0001]的入射電子束拍攝;（g）塊LPSO的亮場TEM和快速傅里葉變換（FFT）圖像，用平行于[110]的入射電子束拍攝。

圖5所示。峰值時效時基體的BF-TEM顯微照片（z=[100]α-Mg）：（a）UT 1中的β'相，（B）UT 3中的β'相;（c-d）β'相的HR-TEM和FFT顯微照片;入射電子束平行于[100];（e）UT 3中β'相的HAADF-TEM和EDS圖。（f）在平行于[0001]α-Mg的入射電子束下，固溶態基體的BF-TEM、FFT和EDS點。

圖6所示。UT 1中沿晶析出的TEM照片（z=[0001]α-Mg）：（a）固溶體處的BF-TEM和EDS圖，（b）時效早期的BF-TEM圖（200℃×24 h），（c）峰值時效時的BF-TEM和EDS圖，（d）UT 3中晶間沉淀的BF-TEM，（e）晶間沉淀和基體之間的界面的HR-TEM，（f）圖6 e的FFT圖像，（g）Mg 5Gd相和Mg基體之間的取向關系的示意圖。

圖7所示。UT1和UT3之間的顯微組織示意圖。

結論：通過兩步超聲處理來處理Mg-10 Gd-1.7Y-1 Zn-0.5Zr合金。經480℃×12 h固溶、200℃×48 h時效處理后，合金的屈服強度、抗拉強度和電致發光強度分別為324 MPa、430 MPa和13.6%。在合金純凈化過程中，采用超聲波與低溫處理相結合的復合凈化工藝，可提高鐵粒子的沉降速度，使合金中的鐵含量降至40 ppm以下。在顯微組織上，半固態溫度下超聲處理使晶粒尺寸減小到24μm，并抑制了鑄造過程中離異共晶相（α-Mg+Mg3Gd）的長大。

超聲波處理不會改變相的組成，但會顯著改變它們的分布和尺寸。Mg3Gd相的細化可以減少熱處理過程中的溶質偏析，提高Mg的溶質濃度，使得UT3的14H-LPSO相和長方體GdY相的體積分數和面積分數明顯低于UT1和UT2。與UT 1和UT 2相比，UT 3基體中更多的溶質原子將進一步提高β'片的長徑比和尺寸，并降低β'片的數密度。此外，軸比c/a的提高和時效過程中晶界處Mg5Gd相的長大都將嚴重降低塑性。綜合三種合金的顯微組織和力學性能，晶粒細化可以提高應變硬化階段的加工硬化速率，提高UTS和EL，但對YS幾乎沒有改善。在相同成分和熱處理條件下，β'板的長寬比是提高合金強度的主要原因。