近日，重庆大学研究团队利用微旷科技X射线显微CT技术表征分析了Al含量与短时T4热处理对高压压铸Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.5Zr-xAl合金微观组织与力学性能的影响规律，该成果被发表在国际知名期刊《Journal of Alloys and Compounds》，第一作者为重庆大学博士李永锋，通讯作者为重庆大学蒋斌教授、张昂老师。

论文标题: “Synergistic enhancement of die castability and strength-ductility balance in HPDC Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys via Al alloying and short T4 heat treatment”（通过Al合金化与短时T4热处理协同提升高压压铸Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的压铸性能与强塑平衡性）

1. 研究摘要

高压压铸（HPDC）Mg-Gd-Y系合金兼具优异的室温和高温强度，但存在熔体流动性差、难以实现强度与塑性协同提升的短板，这一问题严重制约了其压铸成形性能。针对上述难题，本文围绕提升熔体流动性与析出强化的多级调控机制展开研究，以期同步实现Mg-Gd-Y系合金优良的压铸成形能力与高强度。本研究依托CALPHAD相图计算法开展合金成分设计，确定了铝元素的最优添加量；随后结合X射线显微计算机断层扫描与高角环形暗场扫描透射电子显微镜表征结果，分析铝含量与短时T4热处理对高压压铸Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.5Zr-xAl合金微观组织及力学性能的影响规律。铝元素的添加可改善合金的流动性与补缩能力，将气孔体积分数从0.36±0.07%降低至0.14±0.03%，大幅优化大尺寸孔隙的尺寸与形貌；该变化能够抑制裂纹在大尺寸孔隙周边的形核与扩展，使合金断后伸长率大幅提升221.4%。此外，Al的加入会在Mg₅(RE,Zn)的尖端形成(Al,Zn)₂RE。大尺寸的(Al,Zn)₂RE₃形成内部孪晶，以释放局部高应力。这些沉淀物通过载荷转移机制，在显著提高伸长率的基础上提升了强度。经过短时T4热处理后，LPSO与γ'的协同强化效应进一步提升了合金的综合性能。本文以CALPHAD合金设计理论为指导，为低缺陷高压压铸稀土镁合金的研发提供了理论依据。

2. 研究材料与CT试验方法

本研究以不同Al含量的高压压铸Mg-9Gd-3Y-1.5Zn-0.5Zr-xAl合金为对象，从完整拉伸棒上截取φ6.2 mm×4 mm的试样，采用微旷科技XPloreVista 2000显微原位CT开展检测，工作电压50 kV、电流170 mA、图像分辨率4 μm，获得实验数据后，通过图像处理软件定量表征孔隙的体积、等效球直径、球形度及体积分数等特征参数。

图1.(a) 高压压铸铸件；(b) 微观组织分析区域；(c) 拉伸棒尺寸与显微 CT 取样位置；(d) 三同心螺旋流动性测试装置

图2. 显微CT工作原理及三维重建流程

3. CT研究结果

3.1 孔隙空间分布规律

合金表层的大尺寸孔隙含量显著低于过渡区与中心区域；不含Al的合金中，大尺寸孔隙大量聚集在中心偏析带附近。随Al含量升高，大尺寸孔隙含量先降低后升高，在2.0Al合金中达到最低，且呈随机均匀分布。

图3. 高压压铸Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金孔隙的三维分布与形貌：(a) 0Al，(b) 0.2Al，(c) 1.0Al，(d) 1.5Al，(e) 2.0Al，(f) 2.5Al

3.2 孔隙尺寸与形貌演化

孔隙的球形度与体积、等效球直径呈负相关，即孔隙体积越大、形貌越不规则，球形度越低。随Al含量增加，合金中最大孔隙的等效球直径先减小后增大，在2.0Al合金中达到最小值33.6 μm；对应球形度从0Al的0.11提升至2.0Al的0.35，孔隙形貌的不规则程度显著降低。

图4. 高压压铸Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金孔隙的体积、等效球直径与球形度之间的关系：(a) 0Al，(b) 0.2Al，(c) 1.0Al，(d) 1.5Al，(e) 2.0Al，(f) 2.5Al

3.3 缺陷与力学性能的关联

大尺寸孔隙是裂纹形核与扩展的核心起源。Al元素通过改善熔体流动性，缩减大孔隙尺寸、降低孔隙含量、优化孔隙形貌，有效抑制了裂纹在孔隙附近的形核与扩展，这是合金断后伸长率提升221.4%的核心原因；2.5Al合金孔隙缺陷恶化，直接导致塑性下降，断裂机制从韧性断裂转变脆性断裂。

图5. 高压压铸Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金中大尺寸孔隙的三维形貌：(a) 0Al，(b) 0.2Al，(c) 1.0Al，(d) 1.5Al，(e) 2.0Al，(f) 2.5Al

3.4 孔隙体积分数定量变化

合金整体孔隙体积分数随Al含量增加呈先降后升的非单调趋势：从0Al合金的0.36±0.07%降至2.0Al合金的0.14±0.03%；当Al含量升至2.5%时，熔体流动性恶化导致孔隙体积分数增加。

图6. 高压压铸Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金孔隙体积分数统计结果

4. 研究结论

本研究采用高压压铸工艺成功制备了高性能Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金，并借助X射线显微断层扫描（Micro-CT）与高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）表征手段，深入探究了合金的微观组织演变规律与断裂机制。

(1) 铝元素通过多级调控机制，将合金缺陷含量由0.36±0.07%大幅降至0.14±0.03%，同时促进高温稳定相(Al,Zn)₂RE与(Al,Zn)₂RE₃析出；最终该高压压铸合金的抗拉强度、屈服强度与断后伸长率分别达到256.9 MPa、184.5 MPa 和9.0%。

(2) 孔隙体积分数（尤其是大尺寸孔隙）的降低，使得裂纹的形核与扩展位置由大尺寸孔隙附近转变为晶粒内部；合金断裂机制由脆性断裂转变为韧性断裂，断后伸长率大幅提升221.4%。

(3) (Al,Zn)₂RE相与Mg₅(RE,Zn)相存在特定晶体学取向关系；(Al,Zn)₂RE₃相通过内部孪生释放局部应力。析出相与晶粒细化协同作用，协同阻碍位错滑移，使合金保持高强度。

(4) 经短时T4热处理后，γ'相的协同强化效应显著，其数密度与含量的提升促使合金抗拉强度、屈服强度与断后伸长率分别达到270.8±4.3 MPa、194.2±2.6 MPa与12.6±0.8%。

本研究以CALPHAD合金设计为指导，不仅成功开发出综合性能优异的高压压铸Mg−9Gd−3Y−1.5Zn−0.5Zr-xAl合金，更重要的是实践并验证了一套高效、低成本、可预测的难成形高压压铸合金设计路径，为解决更广泛的材料压铸成形问题提供了通用方法。该合金有望成为高压压铸工艺用新型结构材料，实现快速研发与工业化落地。

原始文献：

Li Y, Zhang A, Li C, et al. Synergistic enhancement of die castability and strength-ductility balance in HPDC Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloys via Al alloying and short T4 heat treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2026: 189827.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189827