镁科研：冷却速率对固溶态Mg-Gd-Er-Zn-Zr合金基面析出相及时效硬

镁作为最轻的金属结构材料，在航空航天、交通运输等领域具有极大的应用潜力。与铝合金和钢铁材料相比，镁合金较低的强度限制了其在上述领域大规模应用。为提高镁合金的强韧性，目前国内外研究的热点是在镁中添加一定量的Gd、Y、Er、Nd等稀土元素，通过固溶与时效处理工艺，在镁合金基体中析出一定数量的强化相。该类强化相往往包含多种不同类型的第二相及结构，如长周期堆垛有序(LPSO)相、时效析出相(如β、β′、β1)以及层错结构等，理解这些第二相及结构之间的相互关系，通过尽可能简单的工艺调控镁合金的相组成，进一步提高其力学性能是高强韧镁合金的重要研究方向。

最近，北京工业大学杜文博教授课题组联合威海万丰镁业科技发展有限公司采用水冷、空冷以及炉冷等冷却速率由高到低的三种冷却方式对高温固溶态Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr(wt.%)合金进行冷却，并分别进行峰时效处理，制备的固溶(时效)试样分别命名为QC(QCA)试样，AC(ACA)试样以及FC(FCA)试样，系统研究了不同冷却速率对合金析出相以及时效硬化行为的影响规律。研究结果表明，冷却速率对于合金析出相及力学性能具有重要影响，随着冷却速率降低，基面LPSO析出相体积分数增加，峰时效合金中柱面β′相的密度下降，平均尺寸增加；峰时效后QC试样的屈服强度提升了82 MPa，而相应AC试样及FC试样的屈服强度只分别提升26 MPa和5 MPa，其原因在于较高的冷却速率促进了β′相的析出，同时降低了β′相的平均尺寸。研究认为，在高强韧稀土镁合金制备过程中，通过一种简单的制备工艺（高温固溶+快速冷却）可以获得不同体积分数的基面析出相与柱面析出相的复合强化组织，有助于获得较高的时效硬化效果，提高合金的强度。

系统研究了冷却速率对Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金固溶态组织的影响，结果如图1所示。从OM及SEM图谱中可以看出，在AC及FC试样组织中，晶粒内部出现了层状相，经EDS及SAED进一步分析，确定这种层状相为高温固溶冷却过程中基面上析出的LPSO相。冷却速率对LPSO相的析出行为具有重要影响，在QC试样中，LPSO相密度很低，而随着冷却速率下降，大量LPSO相从基体中析出，且在FC试样中，LPSO相已贯穿整个晶粒内部。实际上，当试样从固溶温度开始冷却时，Gd、Zn等合金元素会扩散至原子错排面，并逐渐形成堆垛有序结构，随着冷却时间延长，该过程将不断完善。因此，在较低的冷却速率下，溶质原子有充分的时间进行扩散，最终导致LPSO相的体积分数增加。

图1 不同冷却速率下固溶态Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金的OM (a, c, e)和SEM (b, d, f)图像，(a, b)水冷，(c, d)空冷，(e, f)炉冷

系统研究了冷却速率对Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金峰时效组织中析出相的影响，结果如图2所示。从TEM及HRTEM图像中可以看出，不同冷却速率下，时效态合金组织中均包含有基面上析出的LPSO相及层错结构，随着冷却速率下降，细小的层错结构逐渐被尺寸更大的LPSO相取代。当入射电子束方向为[0001]α时，可观察到大量弥散分布在{10-10}α面上的β′析出相。进一步统计分析发现，QCA试样中β′相的特征尺寸为23.98 nm×12.84 nm(对角线长度×宽度)，而相应ACA试样和FCA试样中β′相的特征尺寸分别为25.38 nm×15.59 nm，30.92 nm×21.28 nm；同时QCA试样组织中β′相的密度达到1.94×103 μm-2，而相应ACA和FCA试样中β′相的密度仅分别为0.93×103 μm-2和0.54×103 μm-2。综上，随着冷却速率下降，时效态样品中β′相的平均尺寸增加、密度下降。

图2 不同冷却速率下峰时效态Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金的TEM图像、HRTEM图像及对应的SAED图像，(a, b)水冷，(c, d)空冷，(e, f)炉冷

重点研究了基面析出相-LPSO相、层错与柱面析出相-β′相的相互作用关系，结果如图3所示。获得细小且弥散分布的β′相是高强韧镁合金的主要强化机制，而基面析出相对β′相的尺寸及密度具有双重影响。一方面，从TEM图像中可以看出，β′相一般分布于基面析出相之间，由于LPSO/层错结构的杨氏模量远高于基体，导致β′相难以穿过LPSO/层错继续生长，LPSO/层错对于β′相的生长和粗化具有抑制作用。另一方面，存在于LPSO与层错结构中的溶质元素在一定程度上会降低β′相的析出密度，相较于细小且短间距分布的层错结构，多原子层堆垛的LPSO相占据了更多的溶质元素，对β′相析出密度的影响更大。因此，峰时效组织中，由细小且弥散分布的柱面β′析出相与较低体积分数的基面LPSO相构成的空间分布结构，是镁合金中一种有效的强化结构模型。

图3 LPSO相、层错以及β′相的分布及形貌(a, b, c)以及三种强化相间的强化模型(d, e)

同时研究了冷却速率对固溶态和时效态试样室温力学性能的影响，结果如图4所示。从图中可以看出，冷却速率对于固溶态合金的屈服强度几乎没有影响，而对峰时效态合金的屈服强度则有显著影响，QC试样在时效处理后屈服强度提升82 MPa，远高于AC试样和FC试样的26 MPa和5 MPa。由于β′相是稀土镁合金中最重要的强化相，其尺寸越小、密度越大，对位错的阻碍作用越强，合金强度提升越明显。从上述组织分析中可以发现，在采用水冷方式冷却的试样中，β′相的密度最高、尺寸最小，且呈弥散分布，导致合金的时效硬化效果最显著。

图4 不同冷却速率下固溶态与时效态合金室温力学性能，(a, b)固溶态合金，(c, d)时效态合金