关于Mg-Gd二元合金的强度、电导率/热导率及耐腐蚀性的综合性研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Comprehensive study on the strength, electrical/thermal conductivity and corrosion resistance of Mg-Gd binary alloys

本研究系统探究了Gd含量对Mg-Gd合金热电导率、机械强度及耐腐蚀性的影响机制。通过多尺度表征与密度泛函理论计算，揭示了固溶强化与沉淀强化的协同作用及Mg-O-Gd复合钝化层的形成机理，证实Mg-8Gd合金在218MPa抗拉强度下保持49.4W/(m·K)热导率，并实现优于Mg-5Gd和Mg-13Gd的耐蚀性，为多功能镁合金设计奠定理论基础。

　　

杨凯博|谭雨萌|陈林波|邵毅|杨超|段守刚|杜俊

华南理工大学材料科学与工程学院，中国广州510640

摘要

在开发用于先进工程应用的轻质镁合金时，实现机械强度、导热性和电导率以及耐腐蚀性之间的最佳平衡至关重要。本研究探讨了一系列Mg-1–20（重量百分比）Gd二元合金，其中Mg-8Gd表现出出色的综合性能。这归因于固溶强化和沉淀硬化的协同效应，以及独特的Mg-O-Gd复合钝化层的形成。通过系统的多尺度表征和密度泛函理论（DFT）计算，我们揭示了控制性能演变的详细机制：导热性、电导率和机械强度随着钆（Gd）含量的变化而动态变化。这是因为固溶替代导致严重的晶格畸变；由此产生的局部应力场阻碍了位错的运动和传播，而电子散射机制从固溶散射转变为第二相界面散射。关键的是，Mg-O-Gd钝化层有效地将Mg-8Gd的腐蚀速率抑制在低于Mg-5Gd和Mg-13Gd的水平，同时定制的微观结构使其具有卓越的极限抗拉强度（218 MPa，屈服强度为147 MPa）和49.4 W/(m·K)的导热性。本研究系统地阐明了如何通过精确调节Gd溶质浓度来根本性地调整内在强化和钝化机制。最终，这些发现建立了一个坚实的理论框架，为下一代多功能、高强度和耐热镁合金的成分设计提供了关键见解。

引言

镁（Mg）合金由于其低密度、高比强度、优异的减振性能和可回收性，在航空航天、汽车制造和电子通信领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。向镁合金中添加稀土元素可以显著削弱基体结构，同时使这些元素在凝固过程中作为异质成核位点，从而细化晶粒结构[8]、[9]、[10]、[11]。合金化对于提高镁合金的机械性能和耐腐蚀性至关重要[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，过量的合金添加可能会恶化机械性能并加速腐蚀，而添加不足则可能导致强化机制老化[17]、[18]、[19]。确定最佳溶质浓度需要在最大化机械性能和确保经济可行性之间取得微妙的平衡，这种内在的简单性不仅允许精确分离基本强化机制，还使这些合金具有高度的可扩展性，非常适合大规模工业应用[20]、[21]、[22]、[23]。

钆在镁中的最大溶解度约为23重量百分比[24]、[25]。同时，由Gd形成的金属间化合物具有高热稳定性，使合金在高温下仍能保持良好的机械性能[26]、[27]、[28]。这使得Gd成为少数几种能够同时提高室温和高温强度的稀土元素之一[29]、[30]。在凝固过程中，Gd降低了原子扩散速率并抑制了晶粒生长[31]、[32]。同时，它促进了致密表面氧化层的形成，从而降低了腐蚀速率[33]、[34]、[35]、[36]。在高温下，溶质对晶界的钉扎效应减弱[37]、[38]。尽管合金元素在晶界的偏聚可以产生钉扎效应以抑制晶界迁移，但在高温下这种效应显著减弱[39]、[40]、[41]。晶界进入自由迁移状态，导致明显的晶粒粗化[42]。Risheng Pei等人[37]发现，在350°C时，晶界迁移受到溶质阻力的限制，导致晶粒均匀生长。当温度升至450°C时，晶界克服了溶质阻力效应，进入自由迁移状态，使得非基底取向的晶粒能够异常生长。

机械性能和导热性之间存在明显的反比关系[43]、[44]、[45]。虽然固溶原子和等结构沉淀相有效地提高了镁合金的机械强度，但它们同时也增加了声子和电子散射，从而降低了导热性，这导致了导热性和强度之间的负相关[46]、[47]、[48]。Hao Lv等人[49]阐明了各种有效改性方法对镁合金导热性的影响模式，明确指出峰值时效处理是同时提高导热性和机械性能的最佳方法。Qi Shang等人[50]通过晶粒细化和溶质重新分布，设计并制备了一种高强度、高导热性的铸造合金，解决了镁合金中导热性和机械性能之间的权衡问题。

镁合金中合金元素的存在会导致次生相的形成[51]、[52]。这些次生相由于电位差与镁基体形成微电偶，从而加速了镁的氧化反应并引发了严重的局部腐蚀[53]、[54]、[55]。Shi Liu等人[34]通过掺杂钆，促进了从Al-Mn相到Al?Mn?Gd和Al?Gd相的次生相转变，同时降低了与镁基体的电位差，有效缓解了微电化学腐蚀。Changjian Yan等人[56]制备了由致密超细孪晶组成的超细晶粒结构，并通过精心设计的多方向压缩处理，有效地刺激了孪晶内的成核，从而改变了沉淀物的形态和分布。Yue Ren等人[57]发现σ结构提供了坚实的结构支持，并有效分散了应力，有效抑制了界面裂纹。

在这项工作中，我们系统地阐明了Mg-Gd二元合金中导热性/电导率、机械性能和耐腐蚀性演变的基本机制，这些机制取决于Gd溶质浓度。通过全面的多尺度表征，精确揭示了这些宏观性能变化的机制起源。从热物理角度来看，随着Gd含量的变化，主导的电子和声子散射机制从固溶散射转变为次生相界面散射。从机械角度来看，Gd固溶替代引起的严重晶格畸变产生了强烈的局部应力场，这与定制的微观结构协同作用，强烈阻碍了位错滑移。从电化学角度来看，高度稳定的Mg-O-Gd复合钝化层的自发形成有效抑制了Mg-8Gd合金的腐蚀速率，其性能优于其较低（Mg-5Gd）和较高（Mg-13Gd）的对应合金。最终，这种最佳的微观结构设计使Mg-8Gd合金具有卓越的极限抗拉强度（218 MPa，屈服强度为147 MPa）和49.4 W/(m·K)的导热性。通过使用易于制备的二元系统成功分离这些复杂的成分-性能关系，这项工作展示了一种设计多功能镁合金的高效途径。这些发现为下一代高强度、导热性和耐热镁组件的工业发展提供了基础性的见解。

部分摘录

Mg-x Gd合金的制备

本研究通过传统的铸造方法制备了Mg-1Gd（G1）、Mg-5Gd（G5）、Mg-8Gd（G8）、Mg-13Gd（G13）和Mg-20Gd（G20）。图1(a-b)展示了Mg-x Gd合金的铸造过程，具体步骤如下：将电阻炉加热至500°C后，加入干燥的镁锭。在整个过程中，连续通入CO?和SF?气体（比例为199:1）。加热持续到690°C，然后保持该温度

光谱和表面形态

图2显示了Mg-5Gd和Mg-8Gd的凝固热分析曲线。红色曲线代表凝固热分析曲线的一阶导数，蓝色曲线代表凝固热分析曲线的二阶导数。Mg?Gd的沉淀温度为497°C，低于二元相图中的共晶温度545°C。

在实际凝固过程中，液相必须克服成核功（包括界面能

讨论

总之，本研究全面阐述了Mg-Gd合金中的多物理行为，从Gd在不同MgO表面上的原子尺度吸附动力学到导热性/电导率、机械强化和耐腐蚀性的宏观演变。通过系统地连接基本界面热力学与宏观性能权衡，本研究建立了一个关键的理论和实验框架，

结论

总之，本研究系统地阐明了Mg-Gd二元合金中导热性/电导率、机械强度和耐腐蚀性之间的内在机制，这些机制取决于Gd溶质浓度。通过在易于制备的二元系统中分离复杂的成分-微观结构-性能关系，本研究为开发多功能、高强度和

CRediT作者贡献声明

谭雨萌：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、实验研究。杨凯博：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件使用、形式分析、数据管理、概念构思。邵毅：软件使用、实验研究、数据管理。陈林波：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、概念构思。段守刚：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、软件使用。杨超：验证、监督、软件使用。杜俊：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U25A20215）的支持。