采用钨极惰性气体保护焊(TIG)电弧增材制造技术制备钆质量分数分别为2%，3%，10%的Mg-Gd合金，研究了钆含量对Mg-Gd合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：不同钆含量Mg-Gd合金的显微组织均由镁基体和第二相Mg5Gd组成。随着钆含量的增加，沿晶界分布的第二相Mg5Gd的数量和尺寸增加，形状由圆形颗粒状向长条状转变，合金中气孔数量及尺寸降低，镁晶粒从柱状晶向等轴晶转变,且晶粒尺寸先减小后增大,当钆质量分数为3%时达到最小。随着钆含量的增加，合金的强度增大，断后伸长率下降，断裂方式均为韧性断裂。
1、试样制备与试验方法
试验材料为纯度99.95%以上的纯镁与纯度99%的纯钆。按照钆质量分数分别为2%，3%，10%，将纯钆与纯镁熔炼成液态金属，搅拌均匀,除去熔渣,将金属液倒入模具得到Mg-2Gd、Mg-3Gd、Mg-10Gd合金铸锭。通过挤压方式将铸锭制成直径为1mm的丝材。沿平行于挤压方向截取的丝材剖面显微组织如图1所示,可见Mg-2Gd合金、Mg-3Gd合金、Mg-10Gd合金丝材的显微组织均主要为等轴晶粒，平均晶粒尺寸分别为95，66，67μm。
采用焊机和配套的送丝机，将3种Mg-Gd合金丝材通过逐层叠加方式制备合金试样，焊枪完成单道次单层成形后，提高至下一层，返回初始位置，继续进行单道次单层成形。
在成形合金中部截取尺寸为12mm×10mm×10mm的块状试样，用多功能X射线衍射仪(XRD)分析物相组成。块状试样经打磨、抛光，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用光学显微镜(OM)观察平行于沉积方向的显微组织。按照GB/T 6394—2002，每个成形试样上至少选取10张不同的金相照片，采用直线截点法统计横向(垂直于沉积方向)、纵向(平行于沉积方向)的平均晶粒尺寸，并将横向平均晶粒尺寸与纵向平均晶粒尺寸的比值定义为长径比。采用扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，并通过背散射电子成像模式观察Mg-Gd合金的微观形貌，用附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。在成型合金中部沿成形方向截取如图2所示的拉伸试样，按照GB/T 228—2002在微机控制电子试验机上进行室温拉伸试验，测试3个平行试样。拉伸试验结束后采用扫描电子显微镜观察断口形貌。
2、试验结果与讨论
2.1 对析出相的影响
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由图3可知，3种Mg-Gd合金的物相组成相同，主要由基体相α-Mg和第二相Mg5Gd组成，未检测到其他相。研究表明，稀土元素钆能够与镁形成共晶相，共晶温度为821K，生成的化合物为Mg5Gd。因此，加入到镁中的稀土元素钆，部分固溶到镁基体中形成固溶体，部分与镁形成共晶化合物Mg5Gd。
由图4可以看出：当钆元素质量分数为2%，3%时，晶界处第二相呈圆形颗粒状，而当钆元素质量分数为10%时，晶界处的第二相变成长条状；随着钆含量的增多，析出的第二相尺寸增大、数量增多，形状也越不规则。在非平衡凝固过程中，熔池温度降低，钆的固溶度下降，钆元素富集在固/液相前沿，在凝固时，因为晶界处的钆元素含量更高，所以趋于在晶界附近形成第二相Mg5Gd，随着钆含量的增多，钆元素浓度增加，析出的颗粒状第二相数量增多。此外，在熔池凝固过程中，晶内的颗粒状第二相被生长的基体晶粒推向晶界，彼此之间相互聚集、连接，因而造成了第二相的形貌由圆形颗粒状逐步转变为长条状，且分布较分散。
2.2 对气孔的影响
由图5可见，随着钆含量的增加，气孔尺寸减小。在WAAM过程中，气孔形成主要有以下2个原因：(1)氢原子在固、液两相中的溶解度存在差异；(2)丝材燃烧释放的气体未能在熔池凝固前逸出而形成气孔。加入稀土元素形成的稀土化合物MG5Gd能够不断吸附、溶解游离态氢，达到良好的固氢作用，并且钆含量越多，Mg5Gd数量越多，固氢作用越强，氢缺陷越少，气孔尺寸越小。此外，熔池液态金属黏度越小，流动性越好，气体逸出能力就越强，形成的气孔就越小。镁合金易氧化，因此其金属液中常伴有夹杂物，使金属液黏度增加。稀土元素能够有效减少镁金属液中氧化物夹杂，从而降低其黏度，增加其流动性，提升气体逸出的能力，因此气孔尺寸减小。
2.3 对晶粒尺寸的影响
表1 电弧增材制造成形不同Mg-Gd合金的晶粒尺寸
由表1可以看出：随着钆含量的增加，Mg-Gd合金的晶粒尺寸先减小后增大，而长径比则逐渐接近1。长径比接近1，说明晶粒呈等轴状；长径比越偏离1，则说明晶粒呈现柱状。当钆质量分数由2%增加到3%时，第二相Mg5Gd析出量增多，作为晶粒形核的核心促进了异质形核过程，从而细化了晶粒。但是，当钆质量分数为10%时，在熔池凝固过程中钆元素在凝固前沿富集，形成偏析，且沿晶界分布的长条状第二相Mg5Gd弱化了过冷效应，无法有效抑制晶粒生长，造成晶粒变粗，且晶粒倾向于向等轴晶转变。
2.4 对拉伸性能的影响
Mg-2Gd合金、Mg-3Gd合金、Mg-10Gd合金的抗拉强度分别为176，180，241MPa，屈服强度分别为76，90，157MPa，断后伸长率分别为12.4%，12.3%，9.0%。可见随着钆含量的增加，镁合金的抗拉强度和屈服强度增大，而断后伸长率降低。加入稀土元素钆可以提升镁合金强度，但会降低塑性。稀土元素钆对镁合金的主要强化机制为第二相强化和固溶强化。第二相强化在很大程度上取决于第二相的尺寸及数量，Mg-10Gd合金的第二相的尺寸和数量都明显高于Mg-2Gd和Mg-3Gd合金，极大地增加了位错滑移阻力，并且第二相倾向于沿晶界分布，抑制位错沿晶界移动，因此Mg-10Gd合金的强度显著提高。钆固溶在镁基体中，使得基体晶格畸变产生畸变应力场，在此应力场作用下，钆原子偏聚在位错线附近束缚位错，起到固溶强化效果。一般而言，细小的晶粒会产生更大的晶界面积和更曲折的晶界，从而阻碍位错运动，使材料强度提升。Mg-10Gd合金的晶粒比Mg-3Gd合金的晶粒更粗大，但其强度却更高，这是因为聚集在晶界附近的钆元素加强了晶界对位错的阻碍能力，弥补了晶粒粗大导致的阻碍位错能力的下降，使得Mg-10Gd合金获得较高的强度。此外，气孔既可以成为裂纹源，也易导致应力集中而加剧微裂纹的扩展，使得材料强度降低。随着钆含量的增加，合金中气孔含量减少，合金强度得以提升。
由图6可见，3种不同钆含量的Mg-Gd合金拉伸试样断口上都存在韧窝和撕裂棱，说明都发生了韧性断裂。Mg-2Gd合金和Mg-3Gd合金的拉伸断口中存在韧窝和撕裂棱数量、尺寸相似，而Mg-10Gd合金拉伸断口中韧窝数量明显减少。这是由于大量的钆元素增加了合金的变形抗力，使其塑性变差，初始微孔在外力作用下沿拉伸方向的扩展受阻碍，导致韧窝减少。
3、结 论
(1) 电弧增材制造成形不同钆含量Mg-Gd合金的物相均由镁基体和第二相Mg5Gd组成，随着钆含量的增加，第二相倾向于在晶界附近析出，随相互聚集、连接，使形状由圆形颗粒状向长条状转变。
(2) 随着钆含量的增加，Mg-Gd合金中的气孔数量减少，尺寸减小，晶粒尺寸先减小后增加，当钆质量分数为3%时，晶粒尺寸最小，晶粒向等轴晶转变。
(3) 随着钆含量的增加，Mg-Gd合金的抗拉强度和屈服强度增大,断后伸长率降低。钆在镁合金中的主要强化机制是固溶强化和第二相强化，晶界强化、气孔减少对强度提升也具有一定的促进作用。电弧增材制造成形不同钆含量Mg-Gd合金的断裂方式均为韧性断裂。
来源：机械工程材料
关键词：
钆
电弧增材制造
Mg-Gd合金
