重庆大学潘复生院士团队：热挤压制备高强度、超轻双相结构Mg-Li合金！

导读：本文制备了高强度双相结构的Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金是通过铸造和挤压在 533 K 的温度下以 25:1 的挤压比制备的。Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金主要由α-Mg、β-Li、LiMgAl 2、Mg 2 Sn和Li 2 MgSn相组成。挤压合金在室温下的屈服强度（YS）、极限拉伸强度（UTS）和伸长率（EL）分别达到250 MPa、324 MPa和11.9%。大量富锡沉淀物（Mg2Sn 和 Li2MgSn)在挤压过程中析出，平均粒径约为 14 nm，有利于晶粒细化。在热变形过程中发生动态再结晶，纳米沉淀有效地细化动态再结晶 (DRXed) 晶粒。此外，DRXed 和un-DRXed 晶粒中存在的残余位错导致挤压合金中的位错强化。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金具有优异的高温机械性能，在 423 K 时的 YS、UTS 和 EL 分别为 200 MPa、237 MPa 和 26.7%。具有良好热稳定性的富Sn析出物可有效阻止晶粒长大，有利于提高Mg-Li-Al-Sn合金的高温性能。

镁及其合金由于其优良的性能和丰富的储量，近年来越来越受到人们的关注。然而，其六边形密堆积（HCP）结构具有有限的活性滑移系统，导致其成型性差并进一步影响其应用。对于Mg-Li合金，Li的加入可以降低Mg晶体结构的轴比（c/a），甚至形成体心立方（BCC）相（β-Li），使非基面滑移系统容易被活化，从而提高合金的塑性. 当Li的添加量为5.7∼10.3 wt.%时，Mg-Li合金处于α-Mg+β-Li共晶区，双相结构可以有效控制Mg-Li合金的强度和延展性。因此，具有极低密度、高比强度和优异刚度的双相镁锂合金在航空航天、武器工业等轻量化应用领域具有巨大的潜力。.不出所料，双相镁锂合金作为目前最轻的金属结构材料已成为研究热点。然而，β-Li相较软，加工硬化低，影响了Mg-Li合金的强度。双相镁锂合金相对较低的绝对强度阻碍了它们的广泛应用。因此，双相镁锂合金的力学性能需要进一步提高。

近年来，许多研究人员开展了合金化研究，以提高镁锂合金的综合力学性能。Al是Mg-Li合金中最重要的合金元素之一。相关研究表明，在Mg-Li合金中加入Al可导致固溶强化，并以LiMgAl 2析出为第二相强化，有利于强度的提高。然而，双相 Mg-Li-Al 合金的 UTS 小于 300 MPa. 此外，由于高温性能的急剧下降，含铝镁合金的应用往往仅限于低于 400 K 的温度。因此，需要添加另一种合金元素来进一步提高Mg-Li 合金的力学性能。根据Mg-Sn-Li三元图，添加Sn元素可以在Mg-Li合金中形成高熔点的富Sn相（Mg 2 Sn和Li 2 MgSn），作为稳定相，提高材料的高温特性 。此外，Mg 2 Sn 和 Li 2MgSn作为均匀分布在基体中的细小颗粒，能有效阻止位错运动，产生第二相强化。此外，与其他 Mg-Li-Al 合金相比，Sn 的加入可以形成大量的 Li 2 MgSn 相，通过检查基于边缘匹配模型，在细化 α-Mg 和 β-Li 相的微观结构和提高力学性能方面显示出巨大的潜力. 除合金化外，塑性变形是细化晶粒尺寸以提高镁锂合金力学性能的另一种有效方法。

然而，在已发表的文献中，关于双相结构的 Mg-Li-Al-Sn 合金的报道很少，而且在 Mg-Li 合金中添加 Sn 对组织和力学性能的影响还不是很清楚，特别是在变形过程中的组织演变及合金的强化机制。

在此重庆大学潘复生院士团队制备并挤压了双相Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金。挤压成型的 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金具有优异的力学性能，室温下屈服强度、极限拉伸强度和伸长率分别为 250 MPa、324 MPa 和 11.9%，并且与 YS 具有良好的提升性能、UTS 和 EL 分别为 200 MPa、237 MPa 和 26.7%。讨论了热挤压过程中试验合金的显微组织演变，并在本研究中系统地研究了 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的强化机制，以阐明控制力学行为的基本原理。相关研究成果以题“Microstructure and strengthening mechanism of hot-extruded ultralight Mg-Li-Al-Sn alloys with high strength”发表在金属顶刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：

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

图1。(a) 挤压模具和 (b) 拉伸试样的示意图。

图2。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的光学显微组织，(a) 铸态；(b) 挤压态合金（垂直于 ED）；(c) 和 (d) 挤压态合金（平行于 ED）；(e) DRXed 晶粒的晶粒尺寸分布。

图3。挤压态 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 的 α-Mg 的极图图。

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化合物组成。在热变形过程中发生动态析出和动态再结晶。形成尺寸约为 14 nm 的纳米级富锡沉淀物，挤出的 Mg-Li-Al-Sn 合金中 DRX 晶粒的平均尺寸约为 2 μm。

挤压合金的强化机制主要有晶界强化、析出强化和位错强化，其中晶界强化是试验合金中最主要的强化机制。合金内部有许多残余位错，这意味着在挤压过程中激活了更多的滑移系统。

图 4。铸态和挤压态 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的 XRD 谱

图 5。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金析出物的 SEM 形貌 (a, b) 和 EDS 结果 (ch)：(a) 铸态，(b) 挤出态，(ce) 铸态点 AC合金，(fh) 点 DF 挤压合金。

图 6。(a) TEM 形貌显示在 250°C 下均质化 4 小时（挤出前）后的第二相；(b) 挤压后的沉淀形态；(c) DRXed 晶粒的 TEM 图像；(d) 非 DRX 区域的 TEM 图像。

图 7。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的显微组织：(a) 铸态合金在 250 °C 下均质化 4 h 后的 HAADF-STEM 图像；(e) 挤压态合金中 α-Mg 晶粒的 HAADF-STEM；(i) 挤压合金中 β-Li 晶粒的 HAADF-STEM，以及相关区域的元素映射：(b)、(f) 和 (j) Mg；(c)、(g)和(k)铝；(d)、(h) 和 (l) Sn。

图 8。(a) 富锡沉淀物的 HRTEM 显微照片；(b) 富锡沉淀的部分放大图像；(c) HRTEM 图像的 FFT 模式。

图 9。在[11]附近的两光束衍射条件下挤压态合金的位错分。(a) g  = (0001)下非 DRX 晶粒的双光束明场 (TBBF) 图像；(b) g  = 1¯11); (c) g  = (0001)下 DRX 晶粒的 TBBF 图像

平均尺寸约为 14 nm 的细小析出物是由热变形过程中的动态析出物形成的。具有良好热稳定性的细小富锡析出物通过阻止晶界运动对晶粒细化起着重要作用，这也有利于提高高温力学性能。

图 10。Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金的拉伸试验曲线：（a）铸态，（b）挤压态。

图 11。挤压态 Mg-7Li-2Al-1.5Sn 合金 (423K) 的高温拉伸试验曲线。

图 13。已报道的挤压双相 Mg-Li 合金的拉伸强度和伸长率图。