电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zr合金的优异强塑协同性能：热处理调控机制与微观结构演变研究

　　针对传统铸造Mg-RE合金存在组织粗大和性能不足的问题，研究人员通过电弧增材制造(WAAM)技术制备GW63K(Mg-6.54Gd-3.93Y-0.41Zr)合金，结合450°C×2h固溶和200°C×96h时效热处理，使合金在保持16μm细晶组织的同时，析出高密度β'相，实现抗拉强度370MPa和延伸率26.6%的优异协同性能，为航空航天轻量化构件提供了新解决方案。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和交通运输领域具有巨大应用潜力。然而，传统铸造镁稀土(Mg-RE)合金普遍存在晶粒粗大、铸造缺陷等问题，导致其强度-塑性难以协同提升。特别是随着轻量化需求的日益迫切，开发兼具高强度和良好塑性的新型镁合金成为研究热点。电弧增材制造(WAAM)技术因其高沉积速率和近净成形优势，为制备复杂结构镁合金部件提供了新途径，但关于Mg-Gd-Y-Zr系合金的WAAM工艺及后续热处理研究仍存在空白。

中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表研究，采用冷金属过渡电弧增材制造(CMT-WAAM)技术制备GW63K(Mg-6.54Gd-3.93Y-0.41Zr)合金薄壁件，通过多尺度表征技术系统研究了沉积态和热处理态合金的微观组织演变规律。研究采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)分析组织特征，结合X射线衍射(XRD)进行物相鉴定，并通过硬度测试和室温拉伸实验评估力学性能。

3.1 物相分析
XRD显示沉积态合金主要由α-Mg基体和Mg₂₄
(Gd,Y)₅
相组成。固溶处理后出现(Gd,Y)H₂
相衍射峰，时效后因β'相形成而减弱。

3.2 沉积态试样微观结构
OM观察显示WAAM过程形成分层结构，熔池线下晶粒因原位热处理效应长大，线上晶粒保持细小（平均16μm）。SEM证实组织由等轴α-Mg晶界和岛状Mg₂₄
(Gd,Y)₅
共晶相组成，EBSD显示三向弱织构分布。

3.3 热处理试样组织演变
450°C×2h固溶处理可完全溶解共晶相而不引起晶粒长大。200°C时效96h达到峰值硬度119HV，TEM观察到尺寸32.9×10.5nm的β'相沿[0001]_α
方向析出。

3.4 拉伸性能与断口形貌
沉积态合金展现各向同性，抗拉强度267MPa，延伸率13.7%。固溶处理后延伸率提升至26.6%，时效态强度达364MPa。断口分析显示沉积态为韧-脆混合断裂，固溶态呈现韧性特征，时效态因β'相阻碍位错运动出现解理面。

4.1 微观结构演变
研究揭示了WAAM过程的组织遗传性：Zr颗粒作为异质形核点促进等轴晶形成，快速凝固导致Gd/Y元素晶界偏聚。热处理中Zr和(Gd,Y)H₂
相钉扎晶界抑制长大，β'相通过SSSS→β'序列析出。

4.2 强化机制
通过Hall-Petch公式计算晶界强化贡献76.5MPa，Orowan机制计算β'相沉淀强化达121.9MPa。峰值时效态屈服强度246MPa中，沉淀强化占比达49.5%，细晶强化和固溶强化分别贡献28.7%和16.3%。

该研究创新性地将WAAM技术与热处理工艺结合，突破了传统Mg-RE合金强度-塑性倒置的瓶颈。通过精确控制β'相尺寸分布和体积分数，实现了370MPa级高强韧镁合金的制备，其性能优于已报道的WAAM成型AZ系和Mg-RE系合金。特别是提出的短时高温固溶工艺，在充分溶解共晶相的同时避免了晶粒粗化，为大型复杂结构件的组织调控提供了新思路。研究结果对推动镁合金在航天器承力部件、汽车防撞结构等领域的应用具有重要工程价值。