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-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr(GWZ1031K, wt.%)为研究对象，利用TESCAN MIRA场发射扫描电镜系统地表征了粉末、打印态、LPBF-T5态、LPBF-T4态和 LPBF-T6态的显微组织和力学性能。LPBF-T6态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为316 ± 5 MPa，400 ± 7 MPa和2.2 ± 0.3%。上述成果以“Microstructure evolution and mechanical properties ofa high-strength Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr alloy fabricated by laser powder bedfusion”为题在增材制造顶刊Additive Manufacturing上在线发表。

图1 GWZ1031K预合金化粉末的SEM表征 （TESCAN MIRA)

200-300目粉末的平均颗粒直径为63.9 μm，绝大多数粉末为规则的球形，存在少量的卫星粉和不规则形状的粉末，粉末表面还存在大量直径几百纳米的细小白色颗粒，EDS图谱表明其为氧化物颗粒。粉末由细小的ɑ-Mg基体和晶界上的网状共晶相组成，平均晶粒尺寸为2.1 ± 0.8 μm。

图2 打印态GWZ1031K合金的显微组织

打印态存在圆形气孔和垂直于打印堆垛方向的大裂纹，包含裂纹的孔隙率为2.15 ± 0.11%。推测打印态的大裂纹是由于LPBF过程热应力累积超过材料的屈服强度而产生的冷裂纹，该裂纹通过调整激光能量密度无法消除，提高基板加热温度或者采用塑性更好的化学成分有利于改善裂纹。Y和O元素的结合倾向最大导致形成片状白亮相——Y₂O₃氧化相。打印态GWZ1031K合金由灰色的细小ɑ-Mg晶粒（平均晶粒尺寸为4.1 ± 0.5 μm）和晶界上的白亮网状β-(Mg,Zn)₃(Gd,Y)共晶相组成，硬脆共晶相的面积分数为7.78 ± 0.15%，因此有必要进行后续热处理来固溶硬脆共晶相改善塑性和析出纳米级的时效相提升强度。打印态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为310 ± 8 MPa，347 ± 6 MPa和4.1 ± 0.8%。

图3 450℃下固溶不同时间的BSE-SEM照片(a)1 h; (b)4 h; (c)8 h; (d)12 h; (e) 24 h; (f) 36 h 

（TESCAN MIRA)

传统重力铸造GWZ1031K合金的固溶温度是500℃，而打印态GWZ1031K合金在450℃下即可实现硬脆共晶相到晶界X相和晶内层片状LPSO结构的转变。

图4 打印态和450℃下固溶不同时间的工程应力应变曲线和室温拉伸性能

450℃固溶处理后屈服强度下降但是延伸率显著提升，这是因为共晶相的硬度和杨氏模量都高于LPSO结构可以提高更显著的强化效应，但是共晶相特别硬脆，显著恶化塑性。随着固溶时间的延长，晶粒发生长大导致屈服强度进一步下降。固溶12 h后屈服强度较高同时延伸率最高，因此最佳的固溶工艺为450℃×12 h。LPBF-T4态的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为255 ± 8 MPa，328 ± 7 MPa和10.3 ± 0.5%。

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https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102517

（本文转自微信公众号“材料科学与工程”）

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