上海交大轻合金彭立明教授团队MSEA：激光选区熔化增材制造技术制备高强塑性Mg-Gd-Zn-Zr合金

研究背景

激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）是一种最有前景的金属增材制造技术，有望实现高性能复杂结构镁合金构件的制备以取代传统的铸造和塑性变形技术。目前镁合金的SLM研究主要针对商业化的铸造镁合金牌号（如AZ91D、AZ31B、ZK60和WE43等），但是这些合金牌号不一定适合SLM快速凝固非平衡工艺，因此需要开发SLM专用高性能镁合金成分。Mg-Gd系镁稀土合金是一类广泛报导的高强度铸造和变形镁合金，但是Mg-Gd系镁稀土合金的SLM制备还没有其他研究者报道。采用SLM来制备Mg-Gd系镁稀土合金能否获得高性能？此外，采用SLM制备高性能Mg-Gd系镁稀土合金有利于发挥中国的镁与稀土资源优势。

成果简介

上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心的彭立明教授和吴玉娟副研究员（通讯作者）团队以Mg-11Gd-2Zn-0.4Zr (GZ112K, wt.%)为研究对象，通过工艺参数优化制备了致密度高达99.754%的样品，对SLM态GZ112K合金进行了详细的固溶和时效热处理工艺优化来进一步改善显微组织和提升力学性能。相比于其他SLM态镁合金和高强度铸造-T6态Mg-Gd系镁稀土合金，SLM态、SLM-T4态和SLM-T6态GZ112K合金的室温拉伸性能具有显著的优势：SLM态展现优异的强塑性协同作用，SLM-T4态的塑性最高，SLM-T6态的强度最高。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”为题于2021年10月2日在Materials Science & Engineering A上在线发表。

图文导读

图1 SLM态GZ112K合金的显微组织照片

合理的工艺参数使得SLM态孔隙率仅为0.246 ± 0.005%，SLM态GZ112K合金由细小的ɑ-Mg晶粒（平均晶粒尺寸为1.6 ± 0.5 μm）和网状β-(Mg,Zn)₃Gd共晶相组成，硬脆共晶相的面积分数为4.86 ± 0.44%，因此有必要进行后续热处理来固溶硬脆共晶相和析出纳米级的时效相。

图2 不同温度下固溶1h的BSE-SEM照片

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

在一定的温度范围（400-480℃）内共晶相完全转变为晶界X相和晶内层片状LPSO结构，通过系统比较不同固溶温度和时间的显微组织和室温拉伸性能，400℃×12 h为SLM态GZ112K合金最佳的固溶工艺，既可以实现共晶相的完全转变（而铸态合金在该温度下无法实现共晶相的固溶），又避免了晶粒的过度长大（SLM-T4态的平均晶粒尺寸为3.1 ± 1.0 μm）。

图3 SLM-T6态GZ112K合金的明场TEM照片和选区电子衍射图案

电子束分别平行于[2-1-10]_α 方向(a, b) 和 [0001]_α方向 (c, d)。

SLM-T6态由基面γ′相和14H-LPSO结构以及棱柱面大量β′时效析出相组成，基面相和棱柱面相的相互垂直分布可产生复合强韧化的效果。

图4 不同状态的SLM和铸造GZ112K合金的室温拉伸性能

不同状态的SLM制备的GZ112K合金相比于铸态合金强度和塑性同时显著提升，尤其是屈服强度明显高出很多。

图5 SLM制备的GZ112K合金与其他SLM态镁合金和高强度铸造-T6态Mg-Gd系镁稀土合金的室温拉伸性能对比

SLM制备的GZ112K合金的室温拉伸性能处于右上方，具有显著的优势。

小结

上述研究表明采用激光选区熔化增材制造技术制备高强塑性Mg-Gd系镁稀土合金具有非常广阔的应用前景，针对SLM态独特的快速凝固非平衡组织需要专门开发后续热处理制度才能改善显微组织和力学性能。SLM加上合适的后续热处理工艺可以制备高性能复杂结构的镁合金，本文可以为增材制造制备镁合金构件奠定一定的理论基础和技术指导。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142139

本文由作者团队邓庆琛博士（第一作者）撰稿。