近日，上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心吳國華教授團隊在高性能鎂稀土合金增材制造領域取得重要創(chuàng)新成果，研究成果以“Superior elevated-temperature strength-ductility synergy in an additive-manufactured Mg-Gd-Y alloy: Dynamic precipitation evolution and deformation behavior under thermal-mechanical coupling”為題，發(fā)表在國際塑性力學領域頂刊《International Journal of Plasticity》上。本期谷·專欄將對分享這一創(chuàng)新成果。

吳國華教授和童鑫助理研究員為該論文的共同通訊作者，直博生占俊民為第一作者，上海航天精密機械研究所鄒文兵研究員、太原科技大學白培康教授和中北大學趙占勇副教授為該論文的共同作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海航天科技創(chuàng)新基金等項目的資助。

圖文解析

鎂稀土合金具有密度低、比強度和比剛度高、耐蝕性優(yōu)良等特點，在航空航天、國防軍工等領域具有廣闊的應用前景。隨著航空航天裝備對部件服役溫度要求不斷提高，這對鎂稀土合金的高溫力學性能提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)鑄造鎂稀土合金中的β系列納米析出相在高溫下極易發(fā)生粗化和溶解，嚴重削弱其強化效果，已成為制約鎂合金在高溫等極端環(huán)境下工程應用的關鍵難題。因此，亟需針對鎂稀土合金在高溫下的顯微組織和強韌性調控展開研究，這對推廣鎂合金在航空航天等關鍵領域的進一步應用具有十分重要的意義。

團隊前期研究發(fā)現(xiàn) (Additive Manufacturing, 2023, 67: 103487、Journal of Magnesium and Alloys, 2025, 13: 562-570)，電弧熔絲增材鎂稀土合金中含有大量的位錯等亞結構，有助于改善強化相的時效析出動力學，提高強化相析出的數(shù)密度，這為改善合金高溫力學性能提供了重要思路?；诖?，團隊首次針對電弧增材制造Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金的高溫力學行為展開系統(tǒng)研究，創(chuàng)新性地結合準原位實驗和分子動力學模擬等方法，對比分析了增材制造和鑄造合金在高溫拉伸過程中的組織演變差異，率先報道了電弧增材制造鎂稀土合金在熱-力耦合條件下的動態(tài)析出行為及其對合金高溫斷裂失效的影響規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，在電弧熔絲增材制造的大過冷非平衡凝固及多重熱循環(huán)條件下，Mg-Gd-Y-Zr合金中的位錯密度被有效增加。在高溫拉伸過程中，Gd、Y等元素向畸變能較高的位錯等亞結構處偏聚，從而顯著抑制了晶界連續(xù)β平衡相和晶界無析出帶（PFZ）的形成。電弧增材制造合金在高溫下所形成的這種特殊的組織結構有利于降低晶內/晶界的變形應力差異，緩解了晶界的應力集中現(xiàn)象，脆性的沿晶斷裂傾向被大幅降低。結果表明，增材制造合金高溫下綜合力學性能優(yōu)異，250°C下抗拉強度和延伸率分別達到292 MPa和19.2%，是目前已報道的強塑積最高的鎂稀土合金材料，突破了鎂稀土合金在高溫下強塑性難以協(xié)同調控的關鍵瓶頸?；诙喑叨缺碚魇侄危沂玖嗽霾闹圃焖纬傻奈诲e對抑制稀土元素向晶界長程擴散的機制，探明了電弧增材制造鎂稀土合金的高溫強韌化機理，相關研究結果為輕質高強韌耐熱鎂合金材料的開發(fā)和制備奠定了理論基礎，為推動鎂稀土合金在高溫等極端環(huán)境下的應用提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

近年來，在丁文江院士的大力指導和支持下，吳國華教授團隊在高性能鎂稀土合金材料開發(fā)、大熔量高品質熔體制備、大型復雜構件精密成形等方面均取得了一系列原創(chuàng)性研究成果，為推動鎂稀土合金在航空航天等領域的應用做出了重要貢獻。

圖1 高溫拉伸熱-力耦合作用下沉積合金和鑄造合金的晶內動態(tài)析出行為對比分析

圖2 高溫拉伸熱-力耦合作用下沉積合金和鑄造合金的晶界析出行為對比分析

圖3 通過分子動力學模擬研究晶內位錯對高溫下晶界稀土元素偏聚情況的影響

圖4 通過分子動力學模擬定量研究不同晶內位錯含量對高溫下晶界稀土元素偏聚的影響

圖5 本研究中電弧熔絲增材Mg-9Gd-3Y-0.5Zr合金的高溫拉伸性能及其與已發(fā)表文獻相關數(shù)據(jù)的對比。

來源：上海交通大學材料學院

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