01研究背景

在“双碳”战略与高端装备轻量化趋势驱动下，航空航天、新能源汽车、生物医用等领域对轻质镁合金材料的需求日益迫切。电弧增材制造（DED-arc/WAAM）有效克服了粉末基3D打印技术中粉末易氧化、难存储的局限性。较低的能量密度使该工艺能够控制镁挥发与孔隙缺陷，最终实现镁合金塑性的提升。目前通过电弧增材制造调控镁合金强度与塑性的方法，可以归纳为以下四大类：合金成分设计、工艺参数优化、热处理工艺和外部场辅助。本文着重于合金成分设计，通过微量元素的精准调控，实现3D打印镁合金组织优化与强塑性协同提升。研究表明，在变形镁合金中添加微量Ce（0.1-0.2 wt.%）可显著细化晶粒、弱化织构，从而提高合金的强度和塑性。然而，现有研究对亚快速凝固条件下Ce诱导的第二相演化关注不足，且Ce对3D打印镁合金晶粒尺寸与织构强度的影响规律尚属空白。

基于此，大连交通大学尹思奇副教授课题组设计了四种不同Ce含量的新型NZ30K-xCe（Mg-3.0Nd-0.2Zn-0.3Zr-xCe, x = 0、0.1、0.3、0.5 wt.%）合金。通过研究Ce对晶粒细化、织构弱化、第二相形成和力学性能的影响来确定最佳Ce含量。研究发现添加0.1 wt.% Ce使NZ30K的晶粒尺寸从98.9 µm 细化到49.8 µm，并且织构显著弱化，进而使NZ30K合金抗拉强度提升37.2%、伸长率提升61.3%。因此，该效果可用于指导镁合金的成分设计，对开发低成本高性能镁稀土合金具有重要的理论价值和工程意义。

02图文导读

文章首先通过EBSD确定了NZ30K-xCe合金的晶粒尺寸，如图1所示。实验合金主要由等轴和柱状晶粒组成。0.1 wt.% Ce的加入导致晶粒显著细化，平均晶粒尺寸从98.9 µm细化到49.8 µm。当添加0.3或0.5 wt.% Ce时，不会导致晶粒进一步显著细化。晶粒尺寸受凝固过程中有效成核颗粒和溶质偏析的影响。Ce元素在固液界面的富集最终导致了凝固界面前沿的成分过冷，为形核提供了动力。在镁合金中，溶质引发的晶粒细化效果取决于生长限制因子（Q）的大小。Q越大，被激活的形核质点密度就越高，最终的晶粒尺寸就越小。本研究通过添加Ce来提高Q值，正是利用了这种机制来激发更多形核位点，进而细化了晶粒。此外，添加Ce使等轴晶的比例增加了10%。凝固过程中的晶粒形貌受熔池温度梯度（G）与生长速率（R）之比的影响。随着Ce元素的加入，提高了临界稳态G，有利于柱状向等轴晶过渡。

图1 NZ30K-xCe（0、0.1、0.3、0.5 wt.%）合金的EBSD结果

图2显示了NZ30K-xCe合金的{0002}、{10-10}和{11-20}极图。NZ30K合金的织构强度为15.55，NZ30K-0.1Ce、NZ30K-0.3Ce和NZ30K-0.5Ce合金的织构强度分别为4.53、4.47和4.55。在NZ30K合金中添加Ce可以实现织构弱化。然而，添加超过0.1 wt.%的Ce对织构强度没有进一步的显著影响。与NZ30K-0.1Ce合金相比，NZ30K-0.3Ce或NZ30K-0.5Ce合金中第二相的体积分数有所增加。可以得出结论，NZ30K-xCe合金中的第二相不是织构强度降低的主要原因。结合表1的EDS分析结果，Ce元素在α-Mg基体中的固溶度极低，进一步增加Ce含量仍不能提高Ce在α-Mg基体中的固溶度。因此，织构减弱可能与Ce在α-Mg基体中固溶度有关。

图2 NZ30K-xCe合金极图：（a）NZ30K合金；（b）NZ30K-0.1Ce合金；（c）NZ30K-0.3Ce合金；（d）NZ30K-0.5Ce合金

为了研究Ce诱导的第二相演化规律，先通过JMatPro预测NZ30K-xCe合金的第二相主要是Mg41RE5和Mg12RE相，然后通过XRD、SEM和TEM验证。通过表征发现随着Ce含量的变化，第二相的种类保持不变，均为Mg12RE相。通过热力学计算证明，NZ30K-xCe体系中的稳定相为Mg41RE5相，而Mg12RE和Mg3RE相的形成需分别施加5.6°C和14°C的过冷度。因此，热力学优选Mg41RE5→Mg12RE→Mg3RE。然而，从晶体学信息中可以知道，Mg41RE5相在Mg-Nd体系中难以成核。当冷却速率达到1000 ℃/s时，可以获得更大的过冷度，Mg3RE相由于其与α-Mg的良好晶格匹配而可以成核。DED-arc工艺的冷却速率约为100-1000 ℃/s。

因此，本研究中Mg3RE成核困难，Mg12RE成核容易。综上所述，本研究的第二相主要是Mg12RE相。图3为NZ30K-xCe合金的BSE-SEM结果。NZ30K合金的晶界处存在不连续的共晶相，晶粒内部出现许多长条和岛状相。Ce加入后，晶界共晶相逐渐增多，形成网状相，这将降低晶界迁移率并有助于晶粒细化。与NZ30K和NZ30K-0.1Ce合金相比，NZ30K-0.3Ce和NZ30K-0.5Ce合金晶界处的共晶相更粗。Mg12RE相主要是Nd、Ce和Zn元素富集。此外，在图3（a1-d1）中还可以看到一些明亮的立方颗粒，该颗粒的Nd元素含量显著高于共晶相。明亮的立方颗粒可能是不同于共晶相的富Nd颗粒。NZ30K-0.1Ce、0.3Ce和0.5Ce合金表现出相似的晶粒尺寸与织构强度，但后两者中网状Mg12RE相的增多使其强度与塑性劣于前者。总结上述结果可以得出结论：当Ce含量为0.1 wt.%时，合金的强度和塑性较好。

图3 NZ30K-xCe合金的BSE-SEM分析结果：（a-a2）NZ30K合金；（b-b2）NZ30K-0.1Ce合金；

（c-c1）NZ30K-0.3Ce合金；（d-d2）NZ30K-0.5Ce合金；（e）共晶相的体积分数

表1 沉积态NZ30K-xCe合金第二相的EDS元素分析结果

03结论与展望

综上所述，本研究设计了四种新型NZ30K-xCe（0、0.1、0.3、0.5 wt.%）合金。系统分析了Ce诱导的第二相演化规律，阐明了Ce对3D打印镁合金的晶粒细化与织构弱化机理。结果表明，Ce的引入显著细化了晶粒并削弱了织构：平均晶粒尺寸由98.9 µm降至45.6 µm，这主要归因于Ce引起的成分过冷及其第二相（Mg12RE）的晶界钉扎效应。尽管Ce含量的增加并未改变第二相的类型（始终为晶界分布的网状Mg12RE），但提高了其体积分数。织构弱化的机理则与Ce在α-Mg基体中的固溶度密切相关。晶粒细化与织构弱化的双重效应赋予NZ30K-0.1Ce合金更优的力学性能：相较于NZ30K合金，其UTS、YS和EL的提升幅度分别为37.2%、25.9%和61.3%。

04文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2025年第13卷第9期：[1] Yi Li, Siqi Yin*, Guangzong Zhang, Xiao Liu, Renguo Guan. Enhanced strength-ductility synergy of directed energy deposited Mg-3.0Nd-0.2Zn-0.3Zr alloy via micro-alloying with Ce [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2025,13(9), 4299-4315.

05中文摘要

镁稀土（Mg-RE）合金的强度与塑性可通过合金化优化晶粒尺寸和织构得以显著改善。定向能量沉积（DED-arc）是典型的亚快速凝固工艺，有助于进一步改善微观组织。本文设计了四种新型NZ30K-xCe （x = 0、0.1、0.3、0.5 wt.%）合金使用DED-arc工艺进行沉积。实验结果表明，所制备的NZ30K-xCe合金孔隙率不大于0.11%。当添加0.1 wt.% Ce时，平均晶粒尺寸由98.9 ± 5.7 µm减小至49.8 ± 1.0 µm，织构强度亦明显减弱。与NZ30K-0.1Ce合金相比，进一步添加Ce（0.3和0.5 wt.%）不会导致晶粒尺寸和织构强度的显著变化。其中，晶粒细化得益于添加Ce后带来的成分过冷，织构弱化与Ce在Mg基体中的固溶度有关。NZ30K-0.1Ce合金的UTS和EL比NZ30K合金高37.2%和61.3%。晶粒细化和织构弱化是NZ30K-0.1Ce合金强度与塑性协同提升的原因。

06英文摘要

Grain size and texture can be controlled to improve the strength and ductility of magnesium rare-earth (Mg-RE) alloys by alloying. Directed energy deposition-arc (DED-arc) is a typical sub-rapid solidification process that contributes to the modification of the microstructure. In this paper, a series of novel Mg-3.0Nd-0.2Zn-0.3Zr-xCe (NZ30K-xCe) alloys with different Ce contents (0, 0.1, 0.3, 0.5 wt.%) were prepared by DED-arc. The results show that the experimental alloys have lower porosity (≤0.11%). After adding 0.1 wt.% Ce, the average grain size decreases from 98.9 ± 5.7 µm to 49.8 ± 1.0 µm, and the texture is significantly weakened. Further additions of Ce (0.3 and 0.5 wt.%) do not lead to significant alterations in the average grain size and texture intensity when compared with the NZ30K-0.1Ce alloy. Grain refinement is related to the constitutional supercooling, and the texture weakening is connected to the solid solubility of Ce in the Mg matrix. The ultimate tensile strength and elongation of NZ30K-0.1Ce alloy are 37.2% and 61.3% higher than those of NZ30K alloy. Grain refinement and texture weakening are the reasons for the better strength-ductility of NZ30K-0.1Ce alloy.