鎂作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、交通運輸等領域具有極大的應用潛力。與鋁合金和鋼鐵材料相比，鎂合金較低的強度限制了其在

上述領域大規模應用。為提高鎂合金的強韌性，目前國內外研究的熱點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量的強化相。該類強化相往往包含多種不同類型的第二相及結構，如長周期堆垛有序(LPSO)相、時效析出相(如

β、β′、β1)以及層錯結構等，理解這些第二相及結構之間的相互關系，通過盡可能簡單的工藝調控鎂合金的相組成，進一步提高其力學性能是高強

韌鎂合金的重要研究方向。

        最近，北京工業大學杜文博教授課題組聯合威海萬豐鎂業科技發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Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr(wt.%)合金進行冷卻，并分別進行峰時效處理，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律。研究結果表明，冷卻速率對于合金析出相及力學性能具

有重要影響，隨著冷卻速率降低，基面LPSO析出相體積分數增加，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試樣的屈服強度

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

的平均尺寸。研究認為，在高強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數的基面析出相與

柱面析出相的復合強化組織，有助于獲得較高的時效硬化效果，提高合金的強度。

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

織中，晶粒內部出現了層狀相，經EDS及SAED進一步分析，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

部。實際上，當試樣從固溶溫度開始冷卻時，Gd、Zn等合金元素會擴散至原子錯排面，并逐漸形成堆垛有序結構，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，溶質原子有充分的時間進行擴散，最終導致LPSO相的體積分數增加。

圖1 不同冷卻速率下固溶態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，時效態合金組織中均包含有基面上析出的LPSO相及層錯結構，隨著冷卻速率下降，細小的層錯結構逐漸被尺寸更大的LPSO相取代。當

入射電子束方向為[0001]α時，可觀察到大量彌散分布在{10-10}α面上的β′析出相。進一步統計分析發現，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′相的密度達到1.94×103 μm-2，而相應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Mg–10Gd–1Er–1Zn–0.6Zr合金的TEM圖像、HRTEM圖像及對應的SAED圖像，(a, b)水冷，(c, d)空冷，(e, f)爐冷

        重點研究了基面析出相-LPSO相、層錯與柱面析出相-β′相的相互作用關系，結果如圖3所示。獲得細小且彌散分布的β′相是高強韌鎂合金的主

要強化機制，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

錯結構的楊氏模量遠高于基體，導致β′相難以穿過LPSO/層錯繼續生長，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

與層錯結構中的溶質元素在一定程度上會降低β′相的析出密度，相較于細小且短間距分布的層錯結構，多原子層堆垛的LPSO相占據了更多的溶質元

素，對β′相析出密度的影響更大。因此，峰時效組織中，由細小且彌散分布的柱面β′析出相與較低體積分數的基面LPSO相構成的空間分布結構，是

鎂合金中一種有效的強化結構模型。

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

        同時研究了冷卻速率對固溶態和時效態試樣室溫力學性能的影響，結果如圖4所示。從圖中可以看出，冷卻速率對于固溶態合金的屈服強度幾乎

沒有影響，而對峰時效態合金的屈服強度則有顯著影響，QC試樣在時效處理后屈服強度提升82 MPa，遠高于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化相，其尺寸越小、密度越大，對位錯的阻礙作用越強，合金強度提升越明顯。從上述組織分析中可以發現，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與時效態合金室溫力學性能，(a, b)固溶態合金，(c, d)時效態合金