北航 l 增材制造超高稀土镁合金：突破合金化极限，获得优异的时效硬化和强化行为

镁合金因其低密度和高比强度的特点，作为轻量化结构材料在航空航天、交通运输等领域受到广泛关注。

钆（Gd）作为镁合金中最有效的强化元素之一，其高固溶度和显著的时效析出强化效应，使得Mg-Gd系合金在众多镁合金体系中展现出最佳的强度，成为当前研究的热点。然而，随着钆含量的提升，合金的塑性显著下降，室温脆性问题突出，且传统铸造与变形工艺在高钆含量合金制备中面临晶粒粗大、成分偏析、加工开裂等难题，限制了其在高性能结构件中的应用。

增材制造技术，尤其是激光定向能量沉积（LDED）技术，凭借其快速凝固、溶质捕获和细化晶粒效应，为制备高钆含量、成分均匀、无缺陷的镁合金提供了新的技术路径。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.04.007

最近，北京航空航天大学李卓副研究员课题组徐哲博士等人采用LDED技术，成功实现超高钆含量（≈23 wt.%）Mg-Gd-Zn-Zr合金的高质量制备，通过系统的热处理与组织调控优化其微观组织，获得了优异的抗拉强度（425 MPa），并保持了较高的延伸率（3.4%），且受益于高Gd含量，合金在220℃、250℃长时间保温过程中性能退化缓慢，展现出优异的高温长时间使用潜力，为推动高强韧镁合金在航空航天等领域中的应用提供了材料和技术基础。

图文解析

微观组织：文章首先对沉积态LDED-VZ232K合金进行了微观组织分析，如图1，发现合金为近等轴晶组织，平均晶粒尺寸为11.9±2.1 μm，显著小于文献报道的G20K合金（16.1 μm）与GW103K合金（19 μm）。合金中存在面积分数高达35.8%的网状分布共晶相，Zn元素的添加降低了Gd在Mg中的固溶度，导致大量Gd原子在网状共晶相内偏聚。共晶相与沿晶界处弥散分布的针状析出相均为面心立方结构的Mg3Gd相（晶格常数a=0.74 nm），这与常规Mg-Gd合金中常见的Mg24Gd5相存在显著差异。本体系中高浓度Gd原子导致Mg晶格位点被Gd原子占据比例增加，从而稳定了Mg3Gd晶体结构。

LDED-T4态VZ232K合金显微组织由宽度约5 μm的共晶相、簇状针状相及贯穿整个晶粒的层状结构共同构成。合金中存在两种尺寸差异显著、取向平行的层状结构相，其中LPSO相数量较少而SFs数量较多。高分辨TEM图像清晰呈现两种层状结构的尺寸差异：较大者为LPSO相，较小者为沿C*轴分布的SFs。逆快速傅里叶变换（IFFT）分析（图2e）证实，LPSO相原子排列遵循14H-LPSO结构特征的AB|ABCA|CA|CA|C|B|AB|A堆垛序列，而SFs沿C*轴周期小于3.722 nm，表明SFs是稳定LPSO相形成初期的亚稳结构。图2f显示，SFs的堆垛序列符合Burgers矢量为b= 1/6 <11-20>的Frank不全位错模型。

图1 沉积态VZ232K合金：（a）反极图（IPF）；（b）晶粒尺寸分布；（c）极图；（d 和 e）背散射电子扫描电子显微镜（BSE-SEM）图像。

图2 LDED-T4 VZ232K 合金的透射电子显微镜（TEM）结果：（a、b）明场图像；（c）SFs 的选区电子衍射（SAED）；（d）层状 SFs 和 LPSO 相的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；（e、f）LPSO 相和 SFs 的反傅里叶变换（IFFT）。

力学性能（高温长时应用潜力）：为获得最佳力学性能，本研究建立了合金的220 ℃与250 ℃时效硬化曲线，如图3。合金在220 ℃时效12 h达到峰时效状态，最高硬度值达144 Hv，显著优于多数稀土镁合金。相比之下，250 ℃时效温度下的硬化曲线呈现"平台期-缓降期"两阶段特征：6-60 h为平均硬度约139 Hv的平台期，60-100 h进入缓降阶段。并且T61-220 ℃/12 h时效态合金展现出最优综合力学性能：UTS达424±6 MPa，YS为326±4 MPa，EL为3.4±0.2%。四组过时效试样的室温拉伸试验结果如图所示，合金的极限抗拉强度和延伸率随着时效时间的延长有一定程度的降低，而屈服强度的降低不太明显，均保持在300 MPa以上。具有高屈服强度的主要原因是峰时效态的VZ232K合金β′相数密度为2.4×10⁴ μm⁻²，较其他经固溶+时效处理的高稀土镁合金提升2-6倍，且其峰时效态β′相长、宽尺寸均较小。相较于其他高Gd镁合金，LDED-VZ232K合金具有更高的β′相数密度与更小的相尺寸，充分体现了超高Gd合金显著的沉淀强化效应。

图3 VZ232K合金220℃和250℃时效硬化曲线和不同状态下室温拉伸曲线。

过时效态强化机制：过时效态β′相展现出两大特征：其一，保持超高数密度；其二，形成三向交叉互锁结构（图4）。由于超高Gd含量显著降低过饱和固溶体中β′相的形核能垒，极大提升均匀形核速率，使其在时效初期即形成数密度达1.7×10⁴ μm⁻²的β′相。三向交叉互锁结构可理解为β′相从低长径比球状形态向高长径比片状形态ΔGσ的演变，这种形貌转变受界面能与应变能平衡关系支配。应变能ΔGε与界面能ΔGσ表达式分别为：

式中，r为析出相颗粒直径，ε为单位应变能，σ为单位界面能。当ε与σ数值相近时，形核初期界面能阻力(ΔGσ）大于应变能阻力（ΔGε），此时β′相优先形成球状形貌以最小化界面能；当β′相尺寸超过临界值后，应变能（ΔGε）占主导地位，相形态转变为片状以降低应变能。β′相沿三个棱柱面生长并在基面投影形成三向交叉互锁结构。

图4 LDED-VZ232K合金不同状态下组织演变示意图。

低Gd含量的Mg-Gd合金在过时效条件下沉淀相的显著粗化和生长会对屈服强度产生不利影响，而LDED-T6 VZ232K合金中的β’相在过时效阶段经历从均匀网状分布到三向交叉互锁结构的转变，如图5。先前的研究一致表明，与单向β’相相比，具有三向交叉互锁结构的β’相具有更大的表面积，能够阻止位错滑移，从而对屈服强度的增强产生更明显的影响。因此，可以推断，在过时效状态下保持高且稳定的屈服强度很可能归因于具有较高且稳定数密度的β′相和三向交叉互锁结构。

图5 LDED-VZ232K合金280 ℃时效硬化曲线及β’相组织演变。

断裂机制：沉积态合金中（图6a），裂纹起源于硬脆共晶相，并沿晶界相互连接的共晶相网络扩展。连续网状共晶结构为裂纹提供了有效扩展路径，最终呈现典型的沿晶断裂特征。T4态合金（图6b）中，孤立岛状的共晶相区域出现大量二次裂纹，表明孤立岛状的共晶相在变形过程中发生显著塑性变形，同时α-Mg基体内高密度堆垛层错结构进一步提升了合金变形能力，这使得T4态合金断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂（图6c）。T6态合金（图6d）经时效热处理后，堆垛层错（SFs）转变为尺寸更大的γ′相，其协调变形能力下降，导致合金呈现沿晶与穿晶的混合断裂模式。

图6 不同热处理状态下 LDED VZ232K 合金的断口形貌：（a）沉积态合金；（b）LDED-T4；（c）沉积态和 T4 处理态合金的断裂机制；（d）LDED-T6。

结论与展望

本研究通过LDED技术成功制备出超高Gd含量（23 wt.%）的VZ232K

镁合金，系统揭示了其热处理过程中组织演变与力学性能的关联机制，主要结论如下：

（1）LDED技术的快速凝固特性实现了超高Gd含量合金的高质量制备，沉积态合金形成11.9±2.1 μm的细小等轴晶，高屈服强度源于细晶强化，但网状共晶相导致合金塑性受限。

（2）固溶热处理使网状共晶相转变为孤立岛状分布，同时引入大量堆垛层错与细层状LPSO相，断裂模式从沿晶断裂转变为穿晶断裂，延伸率提升至 8.9±0.4%，实现强度与塑性的初步协同。

（3）峰时效态合金的卓越性能源于 β′相的超高数密度（2.4×10⁴ μm⁻²）与纳米级尺寸引发的强烈沉淀强化；过时效态形成的 β′相三向交叉互锁结构，保障了高硬度平台与300 MPa级屈服强度的长期稳定。

本研究突破了传统工艺的Gd含量限制，为超高强度镁合金的制备提供了新范式。未来可进一步优化合金成分设计与热处理工艺，探索多元素协同强化机制，推动高稀土镁合金在航空航天承力构件中的工程应用。

稿件来源：Journal of Magnesium and Alloys

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2025年13卷第8期：

Zhe xu, Zhuo Li*, Chunjie Shen, Dongdong Zheng, Yuxuan Tu. Additive manufacturing high-strength and ultra-high-rare-earth magnesium alloys: Excellent long-time aging hardening and strengthening behavior [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2025, 13(8): 3829-3846.

作者简介

徐哲第一作者

北京航空航天大学材料科学与工程学院2023级博士生，长期从事激光增材制造镁合金、高熵合金等新材料设计和组织性能调控研究，已发表SCI论文7篇。

李卓通讯作者

博导，副研究员，北京航空航天大学高性能金属构件增材制造北京市重点实验室副主任，国防科技工艺激光增材制造创新中心骨干成员，中国菱镁协会镁合金专委会委员，JMA期刊青年编委。长期从事增材制造高性能金属材料设计工作，专注于利用增材制造特殊非平衡特征突破传统合金设计和冶金限制，开发新型高性能金属材料并优化其组织性能。已发表SCI论文65篇，授权发明专利7项。

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