鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。與鋁合金和鋼鐵材料相比，鎂合金較低的強(qiáng)度限制了其在

上述領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。為提高鎂合金的強(qiáng)韌性，目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是在鎂中添加一定量的Gd、Y、Er、Nd等稀土元素，通過固溶與時效處理

工藝，在鎂合金基體中析出一定數(shù)量的強(qiáng)化相。該類強(qiáng)化相往往包含多種不同類型的第二相及結(jié)構(gòu)，如長周期堆垛有序(LPSO)相、時效析出相(如

β、β′、β1)以及層錯結(jié)構(gòu)等，理解這些第二相及結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，通過盡可能簡單的工藝調(diào)控鎂合金的相組成，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能是高強(qiáng)

韌鎂合金的重要研究方向。

        最近，北京工業(yè)大學(xué)杜文博教授課題組聯(lián)合威海萬豐鎂業(yè)科技發(fā)展有限公司采用水冷、空冷以及爐冷等冷卻速率由高到低的三種冷卻方式對高

溫固溶態(tài)Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr(wt.%)合金進(jìn)行冷卻，并分別進(jìn)行峰時效處理，制備的固溶(時效)試樣分別命名為QC(QCA)試樣，AC(ACA)試

樣以及FC(FCA)試樣，系統(tǒng)研究了不同冷卻速率對合金析出相以及時效硬化行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，冷卻速率對于合金析出相及力學(xué)性能具

有重要影響，隨著冷卻速率降低，基面LPSO析出相體積分?jǐn)?shù)增加，峰時效合金中柱面β′相的密度下降，平均尺寸增加；峰時效后QC試樣的屈服強(qiáng)度

提升了82 MPa，而相應(yīng)AC試樣及FC試樣的屈服強(qiáng)度只分別提升26 MPa和5 MPa，其原因在于較高的冷卻速率促進(jìn)了β′相的析出，同時降低了β′相

的平均尺寸。研究認(rèn)為，在高強(qiáng)韌稀土鎂合金制備過程中，通過一種簡單的制備工藝（高溫固溶+快速冷卻）可以獲得不同體積分?jǐn)?shù)的基面析出相與

柱面析出相的復(fù)合強(qiáng)化組織，有助于獲得較高的時效硬化效果，提高合金的強(qiáng)度。

        系統(tǒng)研究了冷卻速率對Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金固溶態(tài)組織的影響，結(jié)果如圖1所示。從OM及SEM圖譜中可以看出，在AC及FC試樣組

織中，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了層狀相，經(jīng)EDS及SAED進(jìn)一步分析，確定這種層狀相為高溫固溶冷卻過程中基面上析出的LPSO相。冷卻速率對LPSO相的析出

行為具有重要影響，在QC試樣中，LPSO相密度很低，而隨著冷卻速率下降，大量LPSO相從基體中析出，且在FC試樣中，LPSO相已貫穿整個晶粒內(nèi)

部。實(shí)際上，當(dāng)試樣從固溶溫度開始冷卻時，Gd、Zn等合金元素會擴(kuò)散至原子錯排面，并逐漸形成堆垛有序結(jié)構(gòu)，隨著冷卻時間延長，該過程將不斷

完善。因此，在較低的冷卻速率下，溶質(zhì)原子有充分的時間進(jìn)行擴(kuò)散，最終導(dǎo)致LPSO相的體積分?jǐn)?shù)增加。

圖1 不同冷卻速率下固溶態(tài)Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金的OM (a, c, e)和SEM (b, d, f)圖像，(a, b)水冷，(c, d)空冷，(e, f)爐冷

        系統(tǒng)研究了冷卻速率對Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金峰時效組織中析出相的影響，結(jié)果如圖2所示。從TEM及HRTEM圖像中可以看出，不同

冷卻速率下，時效態(tài)合金組織中均包含有基面上析出的LPSO相及層錯結(jié)構(gòu)，隨著冷卻速率下降，細(xì)小的層錯結(jié)構(gòu)逐漸被尺寸更大的LPSO相取代。當(dāng)

入射電子束方向?yàn)閇0001]α?xí)r，可觀察到大量彌散分布在{10-10}α面上的β′析出相。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，QCA試樣中β′相的特征尺寸為23.98 nm×

12.84 nm(對角線長度×寬度)，而相應(yīng)ACA試樣和FCA試樣中β′相的特征尺寸分別為25.38 nm×15.59 nm，30.92 nm×21.28 nm；同時QCA試樣組

織中β′相的密度達(dá)到1.94×103 μm-2，而相應(yīng)ACA和FCA試樣中β′相的密度僅分別為0.93×103 μm-2和0.54×103 μm-2。綜上，隨著冷卻速率下降，

時效態(tài)樣品中β′相的平均尺寸增加、密度下降。

圖2 不同冷卻速率下峰時效態(tài)Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金的TEM圖像、HRTEM圖像及對應(yīng)的SAED圖像，(a, b)水冷，(c, d)空冷，(e, f)爐冷

        重點(diǎn)研究了基面析出相-LPSO相、層錯與柱面析出相-β′相的相互作用關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。獲得細(xì)小且彌散分布的β′相是高強(qiáng)韌鎂合金的主

要強(qiáng)化機(jī)制，而基面析出相對β′相的尺寸及密度具有雙重影響。一方面，從TEM圖像中可以看出，β′相一般分布于基面析出相之間，由于LPSO/層

錯結(jié)構(gòu)的楊氏模量遠(yuǎn)高于基體，導(dǎo)致β′相難以穿過LPSO/層錯繼續(xù)生長，LPSO/層錯對于β′相的生長和粗化具有抑制作用。另一方面，存在于LPSO

與層錯結(jié)構(gòu)中的溶質(zhì)元素在一定程度上會降低β′相的析出密度，相較于細(xì)小且短間距分布的層錯結(jié)構(gòu)，多原子層堆垛的LPSO相占據(jù)了更多的溶質(zhì)元

素，對β′相析出密度的影響更大。因此，峰時效組織中，由細(xì)小且彌散分布的柱面β′析出相與較低體積分?jǐn)?shù)的基面LPSO相構(gòu)成的空間分布結(jié)構(gòu)，是

鎂合金中一種有效的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)模型。

圖3 LPSO相、層錯以及β′相的分布及形貌(a, b, c)以及三種強(qiáng)化相間的強(qiáng)化模型(d, e)

        同時研究了冷卻速率對固溶態(tài)和時效態(tài)試樣室溫力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，冷卻速率對于固溶態(tài)合金的屈服強(qiáng)度幾乎

沒有影響，而對峰時效態(tài)合金的屈服強(qiáng)度則有顯著影響，QC試樣在時效處理后屈服強(qiáng)度提升82 MPa，遠(yuǎn)高于AC試樣和FC試樣的26 MPa和5 MPa。

由于β′相是稀土鎂合金中最重要的強(qiáng)化相，其尺寸越小、密度越大，對位錯的阻礙作用越強(qiáng)，合金強(qiáng)度提升越明顯。從上述組織分析中可以發(fā)現(xiàn)，在

采用水冷方式冷卻的試樣中，β′相的密度最高、尺寸最小，且呈彌散分布，導(dǎo)致合金的時效硬化效果最顯著。

圖4 不同冷卻速率下固溶態(tài)與時效態(tài)合金室溫力學(xué)性能，(a, b)固溶態(tài)合金，(c, d)時效態(tài)合金