Review on long-period stacking-ordered structures in Mg-Zn-RE alloys

The recent development of high-strength magnesium alloys is focused on the role of the strengthening phases with a novel long-period stacking-ordered (LPSO) structure. This review detailed the main factors influencing the formation of LPSO phases, including alloying ele-ments, preparation methods, and heat treatments. Furthermore, process control in structure types, formation and transformation behavior, strengthening and toughening mechanisms of the LPSO phase were discussed. Finally, the current problems and development trends of high-strength Mg-Zn-RE alloys were also put forward.

Microstructure and tribological behavior of Mg-Gd-Zn-Zr alloy with LPSO structure

A Mg-14.28Gd-2.44Zn-0.54Zr （mass fraction, %） alloy was prepared by conventional ingot metallurgy （I/M）. The microstructure differences in as-cast and solution-treated alloys were investigated. Sliding tribological behaviors of the as-cast and solution-treated alloys were investigated under oil lubricant condition by pin-on-disc configuration. The wear loss and friction coefficients were measured at a load of 40 N and sliding speeds of 30-300 mm/s with a sliding distance of 5000 m at room temperature. The results show that the as-cast alloy is mainly composed ofα-Mg solid solution, the lamellar 14H-type long period stacking ordered （LPSO） structure within matrix, andβ-[（Mg,Zn）3Gd] phase. However, most of theβ-phase transforms to X-phase with 14H-type LPSO structure after solution heat treatment at 773 K for 35 h （T4）. The solution-treated alloy presents low wear-resistance, because the hard β-phase is converted into thermally-stable, ductile and soft X-Mg12GdZn phase with LPSO structure in the alloy.

Corrosion Behavior of Mg-Zn-Y Alloy with Long-period Stacking Ordered Structures

Mg-Zn-Y alloys with long-period stacking ordered structures were prepared by an ingot casting method. The corrosion performance of Mg-Zn-Y alloys was studied by combining gas-collecting test, immersion test and electrochemical measurements in order to determine the corrosion rate and mechanism of the alloys. The results showed that the volume fraction of Mg（12）YZn phase increased and the shape of the Mg（12）YZn phase changed from discontinuous to continuous net-like with increasing Zn and Y content. The corrosion rate of the alloys greatly depended on the distribution and volume fraction of the Mg（12）YZn phase. Corrosion products appeared at the junction of Mg phase and Mg（12）YZn phase, indicating that the Mg（12）YZn phase accelerated galvanic corrosion of Mg matrix. Mg（97）Zn1Y2 alloy shows the lowest corrosion rate due to the continuous distribution of Mg（12）YZn phase.

长周期结构镁合金的研究进展

长周期结构增强镁合金是目前高性能镁合金的研究热点之一。基于近年来镁合金中LPSO结构的研究进展,综述了形成LPSO结构的镁合金体系、LPSO结构类型以及需要深入研究的方向。

热处理对Mg97.5 Gd1.9 Zn0.6 合金组织与力学性能的影响

采用OM,SEM,TEM和电子万能试验机系统地研究了Mg 97.5 Gd 1.9 Zn 0.6合金在铸态、退火态、挤压态和挤压后直接时效(T5)的组织演化和力学性能。结果表明,合金的铸态组织由α-Mg、共晶形貌的(Mg,Zn)3Gd相和层片状的14H-LPSO相组成。在510℃均匀化退火过程中,发生了(Mg,Zn)3Gd转化成块状14H-LPSO的相变。根据生成相的形貌和发生反应的热力学条件得知其为包析转变,即(Mg,Zn)3Gd+α-Mg→14H-LPSO。挤压后直接时效(T5)处理过程中,发生了晶内14H-LPSO相和β′相的沉淀析出。在14H-LPSO强韧化与沉淀强化的共同作用下,合金的屈服强度和抗拉强度分别为216 MPa和361 MPa,伸长率也保持在较好的水平,为6.9%。

高温固溶处理对Mg-15Gd-2Zn-0.6Zr合金组织结构及力学性能的影响

通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和力学试验,研究了510℃下固溶处理20h所得Mg-15Gd-2Zn-0.6Zr合金的组织结构及力学性能。结果表明,铸态Mg-15Gd-2Zn-0.6Zr合金主要由树枝状α-Mg基体以及分布于枝晶间的(Mg,Zn)_3Gd共晶相组成;固溶处理后,合金相组成未发生变化,而(Mg,Zn)_3Gd相形貌由连续网状转变为不连续岛状,体积分数由19%下降为9%;固溶态合金中未观察到长周期堆垛有序结构的形成。拉伸条件下,固溶态Mg-15Gd-2Zn-0.6Zr合金屈服强度比铸态略有下降,但抗拉强度和延伸率均有较大提高,其屈服强度、抗拉强度和延伸率依次为176 MPa、277 MPa和12.8%,表现出优良的综合力学性能;压缩条件下,铸态和固溶态Mg-15Gd-2Zn-0.6Zr合金的力学性能差异较小,且均优于拉伸条件下的力学性能。

Mg-7Gd-5Y-1Nd-2Zn-0.5Zr合金铸态及均匀化态微观组织

采用聚焦离子束定点切割技术(Focused ion beam,FIB),透射电镜(Transmission electron microscopy,TEM)、高角度环形暗场扫描透射电镜(High angle annular dark field scanning transmission electron microscopy,HAADF-STEM)和扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)等技术手段,对Mg-7Gd-5Y-1Nd-2Zn-0.5Zr合金铸态及(515℃,48 h)均匀化态的组织形貌进行观察分析。结果表明:铸态合金晶界共晶组织中含有(Mg,Zn)_(3)RE相(FCC,a=0.72 nm)、Mg_(5)(RE,Zn)相(FCC,a=2.24 nm)及块状长周期堆垛有序(Long-period stacking ordered,LPSO)相。其中LPSO相主要为18R结构,存在少量14H结构,局部区域存在少量不完整周期的LPSO结构;此外合金中存在分布于共晶相附近的微米级富RE相以及分布于晶粒内部的微米级富Zr颗粒。经过(515℃,48 h)均匀化热处理,晶界(Mg,Zn)_(3)RE相和Mg_(5)(RE,Zn)相完全回溶,残留相主要为14H-LPSO相,局部区域存在具有不同晶体结构的LPSO过渡相。在铸态合金的晶粒内部,沿[1120]_(a)晶带轴观察,发现存在几个原子面至纳米尺度的LPSO构建块,由不同数量的LPSO构建块单元(4个RE/Zn原子层)及Mg原子层交替堆垛构成,RE/Zn与Mg原子层堆垛次序不具备完整周期性;均匀化热处理后,晶内的LPSO构建块几乎回溶,仅剩下极少量单个LPSO构建块单元。沿[0001]_(a)晶带轴观察,晶粒内部存在多种分布方式的富RE/Zn原子柱,为Mg-Gd-Y系镁合金时效过程β′析出序列中GP区的早期结构。

Mg-7Gd-5Y-1Nd-xZn-0.5Zr(x=0,1,2)挤压态合金微观组织和力学性能

采用扫描电子显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜、高角度环形暗场−扫描透射,分析了Mg-7Gd-5Y-1Nd-xZn-0.5Zr(x=0,1,2,质量分数,%)挤压态合金微观组织结构和力学性能,旨在探索Zn对于合金性能影响的微观机制。结果表明:在Mg-7Gd-5Y-1Nd-0.5Zr合金中添加Zn元素,不仅形成LPSO结构,也促进了Mg5(RE,Zn)颗粒的析出,并与Zr形成Zn-Zr相。LPSO结构不仅能阻碍晶粒长大,细化晶粒;也能够阻碍动态再结晶,从而形成动态再结晶晶粒和变形晶粒共存的双模结构,动态再结晶晶粒为á0001ñ//ED织构,变形晶粒为á1010ñ//ED织构。微米级大尺寸Mg5(RE,Zn)颗粒会导致应力集中,引起裂纹的萌生,降低合金的塑性;均匀分布的亚微米级Mg5(RE,Zn)颗粒起第二相强化作用,并能钉扎晶界,阻碍晶粒长大。对比3种挤压态合金,Mg-7Gd-5Y-1Nd-2Zn-0.5Zr合金获得了最优的力学性能,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为365 MPa、276 MPa和17.5%。

差温挤压工艺对Mg96.32Gd2.5Zn1Zr0.18合金显微组织和力学性能的影响

通过OM、SEM显微组织分析以及室温拉伸测试研究了不同热挤压模具温度（320～420℃）对差温挤压的半连续铸造Mg_（96.32）Gd_（2.5）Zn_1Zr_（0.18）合金显微组织及力学性能的影响。结果表明：热挤压后合金发生回复和动态再结晶,具有双峰组织特征。随着模具温度升高,再结晶程度增加,双峰组织特征降低,晶粒尺寸增加,长周期堆垛有序结构数量减少。模具温度为320℃的挤压态合金达到最佳的力学性能：抗拉强度418 MPa,屈服强度383 MPa,伸长率7.1%。

Dual phases strengthening behavior of Mg-10Gd-1Er-1Zn-0.6Zr alloy

The microstructure evolution and strengthening mechanisms of Mg-10Gd-1Er-1Zn-0.6Zr(wt.%) alloy were focused in the view of the size parameters and volume fraction(fp) of dual phases(long period stacking ordered(LPSO) structures and β’ precipitates).Results show that two types of LPSO phases with different morphologies formed,and the morphology and size of both LPSO phases varied with the solution conditions.However,the volume fraction decreased monotonously with increasing solution temperature,which in turn raised the volume fraction of β’ phase during aging.The alloy exhibited an ultimate tensile strength of 352 MPa,a yield strength of 271 MPa,and an elongation of 3.5% after solution treatment at 500℃ for 12 h and aging at 200℃ for 114 h.In contrast to the LPSO phase,the β’ phase seems to play a more important role in enhancing the yield strength,and consequently,a decreased fLPSO/fβ’,ratio results in an increased yield strength.

长周期堆垛有序结构增强的超高强度镁合金的研究

通过常规铸造方法取代快速冷却／粉末冶金方法，制备出具有长周期堆垛有序结构的镁合金，并通过热处理和等通道挤压等方法，提高所制备镁合金的力学性能。试验结果表明，采用常规铸造的方法可以得到具有长周期结构的镁合金，其中具有长周期结构的x相对合金的强化起着重要的作用。

Friction and wear behavior of Mg–11Y–5Gd–2Zn–0.5Zr(wt%)alloy with oil lubricant

The sliding friction and wear behaviors of Mg-11Y-5Gd-2Zn-0.5Zr （wt%） alloy were investigated under oil lubricant condition by pin-on-disk configuration with a constant sliding distance of 1,000 m in the temperature range of 25-200℃. Results indicate that the volumetric wear rates and average friction coefficients decrease with the increase of sliding speeds, and increase with the increase of test temperature below 150℃. The hard and thermally stable Mg12（Y,Gd）Zn phase with long-period stacking order structure in the alloy presents significant wear resistance, The wear mechanism below 100℃ is abrasive wear as a result of plastic extrusion deformation. The corporate effects of severe abrasive, oxidative, and delaminating wear result in the tribological mechanism above 100℃.

Mo微合金化对铸态Mg_(94)Zn_(2.5)Y_(2.5)Mn_1合金显微组织和力学性能的影响

在Mg-Y-Zn系长周期镁合金中加入微量Mo,探究其微合金化对基体合金组织及力学性能的影响。结果表明,铸态Mg-Zn-Y-Mn-(Mo)合金显微组织由α-Mg基体相、18R LPSO相(Mg_(12)YZn)和W相(Mg_3Zn_3Y_2)三相组成。发现微量Mo能明显细化铸态合金晶粒,显著促进合金中18R LPSO相形成,抑制W相析出。当加入0.3 wt.%Mo时,合金的显微组织和力学性能达到最佳,最小晶粒尺寸达到22μm,其抗拉强度和伸长率分别达到265 MPa和13.5%。

Zn-Mg-Zr-B中间合金对铸态Mg_(94)Zn_(2.5)Y_(2.5)Mn_(1)合金显微组织和力学性能的影响

将传统铸造工艺制备出的Zn-Mg-Zr-B中间合金加入到Mg-Y-Zn系长周期镁合金中,探究了Zn-Mg-Zr-B中间合金对铸态Mg_(94)Zn_(2.5)Y_(2.5)Mn_(1)合金显微组织及力学性能的影响,并对其作用机理进行了探讨。结果表明,Zn-Mg-Zr-B中间合金可以有效细化铸态合金的晶粒尺寸,有效促进18R LPSO相的生成。当Zn-Mg-Zr-B中间合金加入量为2wt%时,铸态合金的抗拉强度和伸长率能够分别达到226 MPa和11.5%,性能最优。

Mg-Gd-Zn-Zr合金中的LPSO结构和时效相

为了研究Mg-Gd-Zn-Zr合金中的长周期堆垛有序(LPSO)结构的形成及其演化,对铸态、固溶态和时效态Mg_(96.32)Gd_(2.50)Zn_(1.00)Zr_(0.18)合金的显微组织进行了观察.OM,SEM和TEM观察表明,合金铸态组织由α-Mg固溶体、晶内层片状14H-LPSO结构和晶界处树枝状α-Mg+β-(Mg,Zn)_3Gd共晶相组成;500℃/35 h固溶处理后,晶界处发生β→X的固态相变,层片状X相也具有14H-LPSO结构;再经200℃/128 h峰时效处理后,晶内析出椭球状β′相和片状β_1相与14H-LPSO结构共存.室温拉伸实验和Vickers硬度测试表明,500℃/35 h+200℃/128 h处理改善了合金的力学性能,抗拉强度为290.7 MPa,屈服强度为162.5 MPa,Vickers硬度为108.0 HV,延伸率为10.4%.力学性能的改善与晶界、晶内的14H-LPSO结构及时效相等复合强韧化作用有关.

LPSO相增强Mg-6Gd-4Y-xZn合金的组织与力学性能

制备了3种LPSO相增强Mg-6Gd-4Y-xZn(x=1,2,3)(%,质量分数,下同)四元镁合金,研究了不同Zn含量对合金显微组织和室温力学性能的影响,并探讨了合金中LPSO相的形成与演变过程及其对合金的强化机制。研究结果表明,Mg-6Gd-4Y-3Zn合金的铸态组织主要由α-Mg和18R长周期结构相Mg12Y1Zn1相组成。若降低合金中的Zn含量,显微组织中会出现Mg24(GdYZn)5。3种合金的退火组织均由α-Mg、18R-LPSO和14H-LPSO相组成,且随着Zn含量的增加,合金中18R-LPSO相的体积分数增加且基体中14H-LPSO相的层片变粗。挤压态合金在T6和T5处理的过程中均发生了β'沉淀。随着Zn含量增加,合金Mg-6Gd-4Y-xZn(包括挤压态和时效态)在常温下的抗拉强度降低。显微组织中18R-LPSO相、细小弥散分布的14H-LPSO相和β'沉淀相共存方能实现理想的强化效果。

挤压比及Mn含量对Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-XMn镁合金组织和性能的影响

通过模铸法制备了Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-XMn(X=0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,质量分数,%)系列镁合金,研究了挤压比及Mn含量对Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-XMn镁合金显微组织及室温力学性能的影响。结果表明:铸态Mg-10Gd-6Y-1.6Zn-XMn合金经热挤压后,合金中的长周期堆垛有序(LPSO)结构由亚稳的18R结构转变为稳定的14H结构。大挤压比能够显著提高合金的室温力学性能,当Mn含量为0.8%时,未时效态合金的抗拉强度达到386 MPa,断后延伸率约为10%。

Zn含量对Mg-6Gd-4Y变形镁合金显微组织与力学性能的影响（英文）

研究了Mg-6Gd-4Y(质量分数,%)合金与添加质量分数1%Zn的Mg-6Gd-4Y-1Zn合金的显微组织与力学性能。结果表明:Mg-6Gd-4Y合金的铸态组织由?-Mg基体和Mg_(24)(GdY)_5两相组成。而含有Zn的Mg-6Gd-4Y-1Zn合金的铸态组织则主要由α-Mg,Mg_(24)(GdY)_5和具有18R-LPSO结构的Mg_(12)Y_1Zn_1相组成。挤压后,在含锌合金中发现了14H-LPSO相,分布于条状分布的Mg_(12)Y_1Zn_1之间。14H-LPSO相的形成机理为沉淀析出,反应可表示为α-Mg′→α-Mg+14H。Zn含量对β系列沉淀物没有明显的影响。在Mg-6Gd-4Y合金和Mg-6Gd-4Y-1Zn合金上进行的时效(T6和T5)处理均引起β'析出相的形成。T6处理后的Mg-6Gd-4Y-1Zn合金具有高抗拉伸强度和良好的延展性,屈服强度(YS),抗拉强度(UTS)和延伸率分别为309 MPa,438 MPa和6.8%。这是18R-LPSO相与细小弥散分布的14H-LPSO相和β'沉淀相共同作用的结果。

Mg-13Gd-1Zn合金的组织与力学性能

研究了铸态、退火态、挤压态和T5时效态Mg-13Gd-1Zn三元合金的显微组织和力学性能。结果表明,合金的铸态组织由α-Mg、(Mg,Zn)3Gd和14H-LPSO长周期相组成。合金在均匀化退火和热挤压后的直接时效(T5)过程中都发生了晶内14H-LPSO相的沉淀析出,表明合金中14H-LPSO的沉淀相变发生在一个很宽的温度范围(200~510℃)。在挤压后合金的直接时效(T5)过程中发生了β’及β1相的沉淀析出。在沉淀强化和LPSO强化的共同作用下,合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为197 MPa、397 MPa和2.56%。在200℃/80 MPa和200℃/120 MPa两种实验条件下,Mg-13Gd-1Zn合金的抗蠕变性能均优于WE54合金。

固溶处理对压铸GZ142合金显微组织的影响

借助XRD、SEM、EDX和TEM检测手段,对比了固溶处理前后压铸GZ142合金的显微组织。结果表明,固溶处理前压铸GZ142合金由α-Mg基体和(Mg,Zn)3Gd共晶次生相组成,在400℃下固溶处理1 h后,晶内生成了大量层状14H型的长周期堆垛有序结构(LPSO),同时,部分(Mg,Zn)3Gd共晶次生相转变成同样具有长周期堆垛有序结构的X相。