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重慶大學潘復生院士團隊：熱擠壓制備高強度、超輕雙相結構Mg-Li合金！

2021-09-02 16:02:25 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文制備了高強度雙相結構的Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金是通過鑄造和擠壓在 533 K 的溫度下以 25:1 的擠壓比制備的。Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金主要由α-Mg、β-Li、LiMgAl 2、Mg 2 Sn和Li 2 MgSn相組成。擠壓合金在室溫下的屈服強度（YS）、極限拉伸強度（UTS）和伸長率（EL）分別達到250 MPa、324 MPa和11.9%。大量富錫沉淀物（Mg2Sn 和 Li2MgSn）在擠壓過程中析出，平均粒徑約為 14 nm，有利于晶粒細化。在熱變形過程中發生動態再結晶，納米沉淀有效地細化動態再結晶（DRXed）晶粒。此外，DRXed 和un-DRXed 晶粒中存在的殘余位錯導致擠壓合金中的位錯強化。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金具有優異的高溫機械性能，在 423 K 時的 YS、UTS 和 EL 分別為 200 MPa、237 MPa 和 26.7%。具有良好熱穩定性的富Sn析出物可有效阻止晶粒長大，有利于提高Mg-Li-Al-Sn合金的高溫性能。

鎂及其合金由于其優良的性能和豐富的儲量，近年來越來越受到人們的關注。然而，其六邊形密堆積（HCP）結構具有有限的活性滑移系統，導致其成型性差并進一步影響其應用。對于Mg-Li合金，Li的加入可以降低Mg晶體結構的軸比（c/a），甚至形成體心立方（BCC）相（β-Li），使非基面滑移系統容易被活化，從而提高合金的塑性。當Li的添加量為5.7?10.3 wt.%時，Mg-Li合金處于α-Mg+β-Li共晶區，雙相結構可以有效控制Mg-Li合金的強度和延展性。因此，具有極低密度、高比強度和優異剛度的雙相鎂鋰合金在航空航天、武器工業等輕量化應用領域具有巨大的潛力。。不出所料，雙相鎂鋰合金作為目前最輕的金屬結構材料已成為研究熱點。然而，β-Li相較軟，加工硬化低，影響了Mg-Li合金的強度。雙相鎂鋰合金相對較低的絕對強度阻礙了它們的廣泛應用。因此，雙相鎂鋰合金的力學性能需要進一步提高。

近年來，許多研究人員開展了合金化研究，以提高鎂鋰合金的綜合力學性能。Al是Mg-Li合金中最重要的合金元素之一。相關研究表明，在Mg-Li合金中加入Al可導致固溶強化，并以LiMgAl 2析出為第二相強化，有利于強度的提高。然而，雙相 Mg-Li-Al 合金的 UTS 小于 300 MPa. 此外，由于高溫性能的急劇下降，含鋁鎂合金的應用往往僅限于低于 400 K 的溫度。因此，需要添加另一種合金元素來進一步提高Mg-Li 合金的力學性能。根據Mg-Sn-Li三元圖，添加Sn元素可以在Mg-Li合金中形成高熔點的富Sn相（Mg 2 Sn和Li 2 MgSn），作為穩定相，提高材料的高溫特性。此外，Mg 2 Sn 和 Li 2MgSn作為均勻分布在基體中的細小顆粒，能有效阻止位錯運動，產生第二相強化。此外，與其他 Mg-Li-Al 合金相比，Sn 的加入可以形成大量的 Li 2 MgSn 相，通過檢查基于邊緣匹配模型，在細化 α-Mg 和 β-Li 相的微觀結構和提高力學性能方面顯示出巨大的潛力。除合金化外，塑性變形是細化晶粒尺寸以提高鎂鋰合金力學性能的另一種有效方法。

然而，在已發表的文獻中，關于雙相結構的 Mg-Li-Al-Sn 合金的報道很少，而且在 Mg-Li 合金中添加 Sn 對組織和力學性能的影響還不是很清楚，特別是在變形過程中的組織演變及合金的強化機制。

在此重慶大學潘復生院士團隊制備并擠壓了雙相Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金。擠壓成型的 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金具有優異的力學性能，室溫下屈服強度、極限拉伸強度和伸長率分別為 250 MPa、324 MPa 和 11.9%，并且與 YS 具有良好的提升性能、UTS 和 EL 分別為 200 MPa、237 MPa 和 26.7%。討論了熱擠壓過程中試驗合金的顯微組織演變，并在本研究中系統地研究了 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的強化機制，以闡明控制力學行為的基本原理。相關研究成果以題“Microstructure and strengthening mechanism of hot-extruded ultralight Mg-Li-Al-Sn alloys with high strength”發表在金屬頂刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221006824

圖1。（a）擠壓模具和（b）拉伸試樣的示意圖。

圖2。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的光學顯微組織，（a）鑄態；（b）擠壓態合金（垂直于 ED）；（c）和（d）擠壓態合金（平行于 ED）；（e） DRXed 晶粒的晶粒尺寸分布。

圖3。擠壓態 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 的 α-Mg 的極圖圖。

Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金主要由α-Mg相、β-Li相、LiMgAl2化合物、Mg2Sn化合物和Li 2 MgSn化合物組成。在熱變形過程中發生動態析出和動態再結晶。形成尺寸約為 14 nm 的納米級富錫沉淀物，擠出的 Mg-Li-Al-Sn 合金中 DRX 晶粒的平均尺寸約為 2 μm。

擠壓合金的強化機制主要有晶界強化、析出強化和位錯強化，其中晶界強化是試驗合金中最主要的強化機制。合金內部有許多殘余位錯，這意味著在擠壓過程中激活了更多的滑移系統。

圖 4。鑄態和擠壓態 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的 XRD 譜

圖 5。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金析出物的 SEM 形貌（a, b）和 EDS 結果（ch）：（a）鑄態，（b）擠出態，（ce）鑄態點 AC合金，（fh）點 DF 擠壓合金。

圖 6。（a） TEM 形貌顯示在 250°C 下均質化 4 小時（擠出前）后的第二相；（b）擠壓后的沉淀形態；（c） DRXed 晶粒的 TEM 圖像；（d）非 DRX 區域的 TEM 圖像。

圖 7。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的顯微組織：（a）鑄態合金在 250 °C 下均質化 4 h 后的 HAADF-STEM 圖像；（e）擠壓態合金中 α-Mg 晶粒的 HAADF-STEM；（i）擠壓合金中 β-Li 晶粒的 HAADF-STEM，以及相關區域的元素映射：（b）、（f）和（j） Mg；（c）、（g）和（k）鋁；（d）、（h）和（l） Sn。