上海交大輕合金彭立明教授團隊MSEA：激光選區熔化增材制造技術制備高強塑性Mg-Gd-Zn-Zr合金

研究背景

激光選區熔化（Selective laser melting, SLM）是一種最有前景的金屬增材制造技術，有望實現高性能復雜結構鎂合金構件的制備以取代傳統的鑄造和塑性變形技術。目前鎂合金的SLM研究主要針對商業化的鑄造鎂合金牌號（如AZ91D、AZ31B、ZK60和WE43等），但是這些合金牌號不一定適合SLM快速凝固非平衡工藝，因此需要開發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導的高強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揮中國的鎂與稀土資源優勢。

成果簡介

上海交通大學輕合金精密成型國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）團隊以Mg-11Gd-2Zn-0.4Zr (GZ112K, wt.%)為研究對象，通過工藝參數優化制備了致密度高達99.754%的樣品，對SLM態GZ112K合金進行了詳細的固溶和時效熱處理工藝優化來進一步改善顯微組織和提升力學性能。相比于其他SLM態鎂合金和高強度鑄造-T6態Mg-Gd系鎂稀土合金，SLM態、SLM-T4態和SLM-T6態GZ112K合金的室溫拉伸性能具有顯著的優勢：SLM態展現優異的強塑性協同作用，SLM-T4態的塑性最高，SLM-T6態的強度最高。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上在線發表。

圖文導讀

圖1 SLM態GZ112K合金的顯微組織照片

合理的工藝參數使得SLM態孔隙率僅為0.246 ± 0.005%，SLM態GZ112K合金由細小的ɑ-Mg晶粒（平均晶粒尺寸為1.6 ± 0.5 μm）和網狀β-(Mg,Zn)₃Gd共晶相組成，硬脆共晶相的面積分數為4.86 ± 0.44%，因此有必要進行后續熱處理來固溶硬脆共晶相和析出納米級的時效相。

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℃）內共晶相完全轉變為晶界X相和晶內層片狀LPSO結構，通過系統比較不同固溶溫度和時間的顯微組織和室溫拉伸性能，400℃×12 h為SLM態GZ112K合金最佳的固溶工藝，既可以實現共晶相的完全轉變（而鑄態合金在該溫度下無法實現共晶相的固溶），又避免了晶粒的過度長大（SLM-T4態的平均晶粒尺寸為3.1 ± 1.0 μm）。

圖3 SLM-T6態GZ112K合金的明場TEM照片和選區電子衍射圖案

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態由基面γ′相和14H-LPSO結構以及棱柱面大量β′時效析出相組成，基面相和棱柱面相的相互垂直分布可產生復合強韌化的效果。

圖4 不同狀態的SLM和鑄造GZ112K合金的室溫拉伸性能

不同狀態的SLM制備的GZ112K合金相比于鑄態合金強度和塑性同時顯著提升，尤其是屈服強度明顯高出很多。

圖5?SLM制備的GZ112K合金與其他SLM態鎂合金和高強度鑄造-T6態Mg-Gd系鎂稀土合金的室溫拉伸性能對比

SLM制備的GZ112K合金的室溫拉伸性能處于右上方，具有顯著的優勢。

小結

上述研究表明采用激光選區熔化增材制造技術制備高強塑性Mg-Gd系鎂稀土合金具有非常廣闊的應用前景，針對SLM態獨特的快速凝固非平衡組織需要專門開發后續熱處理制度才能改善顯微組織和力學性能。SLM加上合適的后續熱處理工藝可以制備高性能復雜結構的鎂合金，本文可以為增材制造制備鎂合金構件奠定一定的理論基礎和技術指導。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142139

本文由作者團隊鄧慶琛博士（第一作者）撰稿。