尽管稀土元素（Gd）在轻量化工程中很重要，但它们在镁合金高温氧化机制中的作用仍不清楚，特别是在晶界偏析效应方面。通过SEM-EDS元素图谱、EBSD晶体图分析、GIXRD相鉴别和TEM/TKD表征等综合方法，我们比较了Mg-6Gd-1Al合金在铸态和固溶处理条件下在500◦C延长等温暴露1200小时的氧化特性。我们的研究结果表明，铸态合金中晶界处的Gd偏析促进了不连续氧化层的形成。产生局部生长应力差异，引发微裂纹并加速氧化引起的质量损失。相比之下，固溶处理使Gd分布均匀，从而形成连续、致密的保护氧化层。该研究表明，固溶处理（510◦C/16 h）有效地消除了晶界处的Gd偏析（从铸态的~3.2 at%降至~0.3 at%），将Mg-6Gd-1Al合金的氧化动力学从线性失重转变为抛物线行为，同时显著降低了氧化垢开裂密度。开发的方案为开发中稀土含量（<7 wt% Gd）的抗氧化镁合金提供了一种工程化的热处理策略。这一策略显示了需要具有成本效益的氧化保护的工业应用的直接潜力。

图文赏析

图1所示。Mg-6Gd-1Al合金在500℃氧化不同时间（1 h、20 h、60 h、100 h、150 h、200 h、300 h、400 h、500 h、700 h和1200 h）下铸态和固溶态的重量变化曲线(a)，以及选择时间点（1 h、150 h、300 h、700 h和1200 h）的宏观表面图像(b)和(c)。

图2所示。铸态Mg-6Gd-1Al合金氧化前的SEM图像和EDS分析。高倍区域（A：橙色，B：蓝色，C：绿色）突出了Gd的晶界偏析和第二相的元素分布。斑点1-6的EDS结果揭示了第二相的元素组成。

图3所示。固溶Mg-6Gd-1Al合金氧化前的SEM和EDS分析。高倍区域（A：橙色，B：蓝色，C：绿色）突出了元素在基体和第二相中的分布，表明Gd完全溶解在基体中。点1 - 7的EDS结果揭示了第二相的元素组成。

图4所示。铸态Mg-6Gd-1Al合金氧化前的EBSD分析(a)和第二相的高倍放大分析（b-e）。其中（b-c）为Al2Gd相，（d-e）为（Mg, Al）3Gd相。值得注意的是，(d)为花瓣状（Mg, Al）3Gd相，(e)为短鱼骨状（Mg, Al）3Gd相。

图5所示。固溶处理Mg-6Gd-1Al合金氧化前的EBSD分析(a)和第二相高倍放大的EBSD和EDS表征（b-e）。其中（b-c）为Al2Gd相，（d-e）为（Mg, Al）3Gd相。值得注意的是，(d)为花瓣状（Mg, Al）3Gd相，(e)为短鱼骨状（Mg, Al）3Gd相

图6所示。Mg-6Gd-1Al合金不同氧化时间后的显微组织比较，左图为铸态试样(a)，右图为固溶处理试样(b)。铸态试样说明了氧化皮随时间（从1到1200小时）的演变，包括应力发展、裂纹萌生、裂纹扩展、氧化皮断裂和分层。溶液处理后的样品在不同的氧化时间表现出氧化皮的微观结构特征。经过长时间氧化（1200 h）后，溶液处理的样品呈现出均匀的氧化垢分布

图9所示。氧化1200 h后的As铸造Mg-6Gd-1Al合金的TEM和TKD表征，样品采用FIB制备。(a)低倍率TEM-BF显示氧化皮的整体形态；(b)与(a)对应的EDS元素图；（c-e） (a)中不同区域的HRTEM图像，分别为(c) Gd2O3, (d) MgO, (e) Mg基体；(f)裂纹区域放大图（(a)中蓝色框）；(g)对应(f)的EDS元素图；(m) (f)中C区放大图；(n)进一步放大(m)，显示两个不同的阶段；(o) (n)相a的HRTEM图像；(p)对(f)中的氧化刻度进行线扫描；(q) (f)中的D区放大，显示无定形的MgO刻度。

图10所示。固溶处理Mg-6Gd-1Al合金氧化1200 h后形成氧化皮的TEM和TKD表征(a)氧化垢的低倍率TEM-BF；（b-e） (a)的EDS元素图，显示(b) O, (c) Mg, (d) Gd, (e) Al的分布；(f)高倍TEM-BF图像，氧化皮均匀致密，无裂纹；（g-j） (f)的EDS元素图，显示了(g) O, (h) Mg, (i) Gd, (j) Al的局域元素分布；(k)无缺陷Gd2O3区域的TEM-BF图像；（l- O） (k)的EDS元素图，显示(l) O、(m) Mg、(n) Gd和(O) Al的分布；（p-q）氧化垢和基体的TKD相图和IPFZ；(r)在氧化物尺度上的线扫描，显示了O， Gd， Mg和Al在不同尺度上的原子分数的变化。

结论

1) 晶界钆偏析显著影响氧化行为，在氧化初期（1小时内）诱导Gd₂O₃与MgO相发生独立形核和竞争性纵向生长。该现象随暴露时间延长（至1200小时）持续加剧，产生界面应力并促进裂纹萌生与扩展。

2) 在固溶处理的Mg-6Gd-1Al合金中，钆元素的均匀分布促使形成致密连续的MgO/Gd₂O₃复合氧化层，其氧化动力学遵循抛物线规律，能有效抑制裂纹萌生。相比之下，铸态合金中的钇偏析引发微裂纹，这些裂纹成为氧扩散快速通道，导致亚表层区域发生Gd₂O₃内氧化，最终引起氧化性质量损失。这种显著差异确证了稀土元素均匀分布对形成稳定保护性氧化层具有关键作用。

3) 本研究揭示了钆等稀土元素在高温氧化中的双重作用：虽然Gd₂O₃的形成能构建稳定保护层从而显著提升整体抗氧化性，但其与MgO之间固有的应力失配会在铸态合金中引发局部力学失稳。这种应力诱导现象不仅促进裂纹形成，还会加速脆弱区域的氧化进程。

4) 本研究阐明了合金微观结构、稀土元素分布与氧化行为的耦合效应，为设计高性能抗氧化镁合金提供了新思路。结果表明，通过热处理优化（如510°C/16小时固溶处理）可有效抑制钆偏析，显著提升氧化层均匀性并消除开裂现象。优化后的合金在500°C下展现出卓越的氧化稳定性，为航空航天高温应用场景的镁合金研发奠定了理论与技术基础。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113256