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混合轧制Mg-8Li-5Al合金的微观结构演变与强化行为

期刊:Journal of Alloys and CompoundsDOI:10.1016/j.jallcom.2025.182914

这篇文档属于类型a，是一篇关于双相Mg-Li合金混合轧制工艺研究的原创性学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

作者及机构
本研究由大连理工大学材料科学与工程学院的Keqiang Su、Kaiyang Li、Enyu Guo等团队完成，合作单位包括大连理工大学凝固控制与数字化制备技术辽宁省重点实验室和宁波研究院。研究成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》2025年第1039卷，文章编号182914。

学术背景
Mg-Li合金作为最轻的结构材料，在航空航天、国防和3C电子领域具有重要应用潜力。然而，传统双相Mg-Li合金的拉伸强度普遍低于300 MPa，成为制约其工程应用的瓶颈。本研究针对Mg-8Li-5Al（LA85）合金，提出了一种结合热轧（HR, hot rolling）和室温轧制（RTR, room-temperature rolling）的混合轧制工艺，旨在通过微观结构调控实现强度-塑性的协同提升。

研究流程
1. 材料制备与预处理
- 采用真空氩气保护熔炼铸造LA85合金锭（成分为Mg-7.845wt%Li-4.953wt%Al）。
- 铸锭经250℃×4h均匀化退火和350℃×3h固溶处理后水淬，加工成150×50×15 mm³坯料。

  1. 轧制工艺设计

    • 热轧组（HR）：直接进行热轧，总变形量80%（最终厚度2.5 mm）。
    • 混合轧制组（HR+RTR）：先热轧后室温轧制，中间穿插260℃×5-10min退火以防止边裂。

  2. 微观结构表征

    • 采用光学显微镜（OM）、场发射扫描电镜（FE-SEM）观察α-Mg（HCP相）和β-Li（BCC相）的形貌演变。
    • 通过电子背散射衍射（EBSD）分析α-Mg的再结晶行为，X射线衍射（XRD）和取向分布函数（ODF）解析β-Li的织构演化。
    • 透射电镜（TEM）结合选区电子衍射（SAED）鉴定纳米析出相（MgLi₂Al、AlLi、Mg₁₇Al₁₂），飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）定量Li元素分布。

  3. 力学性能测试

    • 室温拉伸试验（应变速率0.6 mm/min）测定强度与延伸率，数字图像相关技术（DIC）分析全场应变分布。
    • 显微硬度仪测量两相硬度差异，每组至少8个数据点确保统计可靠性。

主要结果
1. 微观结构调控
- HR触发α-Mg的不连续动态再结晶（DDRX, discontinuous dynamic recrystallization）和β-Li的连续动态再结晶（CDRX, continuous dynamic recrystallization），形成双峰α-Mg枝晶和等轴β-Li晶粒（平均尺寸~15 nm）。
- RTR促进纳米AlLi和MgLi₂Al相沿晶界及晶内析出，析出相总量增加23%（HR+RTR组达4.94×10¹⁴ m⁻²）。

  1. 织构演化

  2. 力学性能突破

    • HR+RTR合金抗拉强度达307 MPa（较铸态提升56.3%），屈服强度293 MPa（提升93.8%），首次突破双相Mg-Li合金300 MPa强度壁垒。
    • 硬度测试显示α-Mg相硬度提升33.4%，β-Li相提升16.9%，归因于位错密度增加（HR+RTR组位错密度9.55×10¹⁴ m⁻²，较HR组高21.7%）。

结论与价值
本研究通过混合轧制工艺实现了双相Mg-Li合金的跨相耦合强化：
- 科学价值：揭示了α-Mg（DDRX）与β-Li（CDRX）的差异再结晶机制，阐明了AlLi析出相通过阻碍位错运动提升强度的物理本质。
- 应用价值：提供了一种可规模化生产的工艺方案，为解决Mg-Li合金固有强度限制提供了新思路。

研究亮点
1. 工艺创新：首次将HR与RTR序贯结合，通过温度-应变协同调控实现纳米析出相与织构的协同优化。
2. 性能突破：307 MPa的抗拉强度创造了双相Mg-Li合金的新纪录，同时保持16.2%的均匀延伸率。
3. 机理深化：通过TOF-SIMS和EDS联用技术，首次定量揭示了Li元素在α/β相界的偏聚行为及其对析出动力学的调控作用。

其他发现
- 中间退火过程中静态再结晶激活了β-Li的{001}<130>滑移，显著改善了TD方向的塑性各向异性。
- 半共格α-Mg/β-Li界面处的高密度错配位错（图11i）为界面强化提供了直接实验证据。