超輕Mg-Li-Al系變形鎂合金擠壓板材的組織及性能

李瑞紅，蔣 斌，陳志軍，潘復(fù)生

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，包頭 014010；2. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；3. 內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 第十分公司，包頭 014030；4. 重慶大學(xué) 國(guó)家鎂合金工程技術(shù)研究中心，重慶 400044）

超輕Mg-Li-Al系變形鎂合金擠壓板材的組織及性能

李瑞紅1，蔣 斌2，陳志軍3，潘復(fù)生4

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，包頭 014010；
2. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；
3. 內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 第十分公司，包頭 014030；
4. 重慶大學(xué) 國(guó)家鎂合金工程技術(shù)研究中心，重慶 400044）

通過(guò)OM、SEM、XRD和拉伸實(shí)驗(yàn)研究3種典型的Mg-Li-Al合金的鑄態(tài)和擠壓態(tài)組織及力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨著Li含量的增加，合金的結(jié)構(gòu)從密排六方向體心立方轉(zhuǎn)變，合金的鑄態(tài)組織隨之發(fā)生改變。經(jīng)過(guò)250 ℃擠壓處理后，Mg-5Li-1Al和Mg-9Li-1Al合金的晶粒沿?cái)D壓方向呈方向性排列，Mg-14Li-1Al合金由均勻的等軸晶（再結(jié)晶晶粒）組成。隨著Li含量的增加，擠壓態(tài)合金板材的屈服強(qiáng)度逐漸增大，其中擠壓態(tài)Mg-9Li-1Al合金板材的綜合力學(xué)性能最佳（屈服強(qiáng)度達(dá)到149 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到25%）。

鎂鋰合金；擠壓；顯微組織；力學(xué)性能

作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂鋰合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性能優(yōu)良、抗高能粒子穿透能力強(qiáng)，尤其是其變形性能的優(yōu)勢(shì)，使得它在宇航、兵器、汽車、電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1-4］。根據(jù)Mg-Li合金相圖［5-7］，隨著Li含量的增加，Mg-Li合金可分為α相合金（w（Li）＜5.5%）、α+β兩相合金（5.5% ＜w（Li）＜11%）和β相合金（w（Li）＞11%）。其中α相為鋰固溶于鎂中的固溶體，具有密排六方晶體（HCP）結(jié)構(gòu)；β相為鎂固溶于鋰中的固溶體，具有體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)。由于體心立方結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使Mg-Li合金的塑性得到極大改善，并改變了鎂合金因滑移系少、加工成型困難的缺點(diǎn)，從而引起各國(guó)研究者的極大興趣［8-11］。

同時(shí)，隨著Li含量的增加，鎂鋰合金的強(qiáng)度、耐蝕性及抗蠕變性能下降比較多。為得到性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的鎂鋰系合金，合金化作為一種強(qiáng)化手段，被廣泛應(yīng)用。鋁在固態(tài)鎂中有較大的固溶度，它是Mg-Li合金的主要強(qiáng)化元素之一［12-14］。近年來(lái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用的 Mg-Li-Al合金主要有 Mg-14Li-1Al（LA141）、Mg-9Li-1Al（LA91）等。

由于Li元素的出現(xiàn)，使得鎂鋰合金的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。因此，近年來(lái)對(duì)于鎂鋰合金的研究在逐年增加，研究人員的主要精力集中于鎂鋰合金中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，對(duì)于單相合金而言，隨著Li含量的增加，其性能的變化以及其中的機(jī)理研究［15-18］。WANG等［19］研究了隨著Li含量的增加，鑄態(tài)鎂鋰合金的阻尼性能，但是并沒(méi)有研究其力學(xué)性能的變化。XU等［1］研究Mg-8Li-3Al-0.5Mn-Sr合金的鑄態(tài)及擠壓態(tài)顯微組織，同時(shí)也研究了擠壓棒材的力學(xué)性能。結(jié)果表明：LAM830-0.75Sr合金的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到265.46 MPa，但其伸長(zhǎng)率只有 17.1%。隨著鎂合金產(chǎn)品的逐步推廣，作為高技術(shù)含量、高附加值的產(chǎn)品，鎂合金板材是支撐鎂合金廣泛應(yīng)用的主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料。因此，如何在密度、塑性和強(qiáng)度三者之間取得較好的結(jié)果是Mg-Li系合金板材發(fā)展和應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文作者對(duì)3種不同鋰含量、較為典型的Mg-Li-Al合金的組織與力學(xué)性能進(jìn)行了研究，以期為鎂鋰合金板材的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中所用原料為 99.90%Mg、99.90%Li、99.90%Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。實(shí)驗(yàn)所使用的合金是在真空感應(yīng)熔煉爐中，采用氬氣氣氛保護(hù)熔煉而成。按照純鋰錠的質(zhì)量計(jì)算設(shè)計(jì)合金的質(zhì)量。首先，將純鎂錠和純鋁錠按照設(shè)定成分進(jìn)行切割、稱量、打磨、清洗，使其表面光滑無(wú)氧化層。其次，將熔煉爐加熱至 150 ℃烘干，把所有原料快速加入到熔煉爐中的坩堝，并將爐密封；對(duì)感應(yīng)熔煉爐抽真空至氣壓≤1×10-2Pa，然后充入純氬氣至 30 kPa；之后將感應(yīng)爐加熱進(jìn)行熔煉，待原料充分熔化后，在 720 ℃保溫靜置 20 min，然后加大氬氣的通入量增加爐膛內(nèi)壓力，將熔體壓入預(yù)熱的金屬模具（模具尺寸為d168 mm×510 mm）中；待鑄錠在空氣中冷卻后，從模具中取出。為防止金屬鋰被氧化，實(shí)驗(yàn)全程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表1所列。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of alloys

合金鑄錠經(jīng)250 ℃保溫10 h均勻化處理后，在1250T型擠壓機(jī)上擠壓成寬120 mm、厚2 mm的板材。擠壓方式為正向熱擠壓，擠壓比為83.7。由于鋰含量不同，3種合金的變形溫度也不同，LA51的擠壓溫度為350 ℃，而LA91與LA141合金的擠壓溫度設(shè)定為280 ℃。從鑄態(tài)及擠壓態(tài)合金上分別截取試樣，在Newphot-30型金相顯微鏡觀察組織形貌，采用Rigaku D/max 2500PC X型射線衍射儀進(jìn)行合金相成分分析。采用CMT5000系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)擠壓態(tài)合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，按照與擠壓方向呈0°、45°、90° 3個(gè)方向取樣，力學(xué)性能數(shù)據(jù)取至3個(gè)試樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 合金的顯微組織

圖1所示為3種鑄態(tài)合金的XRD譜。從圖1中可以看出，3種合金的相組成完全不同：LA51合金主要由 α-Mg單相組成（見(jiàn)圖 1（a）），LA91合金主要由α-Mg和β-Li相組成（見(jiàn)圖1（b）），而LA141合金則主要由β-Li組成（見(jiàn)圖1（c））。另外，在LA91和LA141合金中還有少量的LiMgAl2相存在，這種相組成也與后面的顯微組織相對(duì)應(yīng)。

圖1 試驗(yàn)合金的XRD譜Fig. 1 XRD patterns of studied alloys： （a） LA51； （b） LA91； （c）LA141

圖2 試驗(yàn)合金的鑄態(tài)金相組織Fig. 2 As-cast optical microstructures of studied alloys：（a） LA51； （b） LA91； （c） LA141

圖2所示為3種合金的鑄態(tài)顯微組織。如圖2（a）所示，LA51合金由均勻的等軸狀晶粒組成，晶粒內(nèi)幾乎沒(méi)有其他相的存在。LA91合金由細(xì)小白色針狀的α-Mg（HCP）相和灰色β-Li（BCC）相組成（見(jiàn)圖2（b））。LA141鑄態(tài)合金的晶粒比較粗大（見(jiàn)圖2（c））。

圖3所示為不同Li含量的3種鎂鋰合金的擠壓態(tài)組織。由圖3可以看出，3種合金的組織較鑄態(tài)時(shí)細(xì)小許多。其中LA51合金由均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組成，大部分晶粒沿著擠壓方向（ED）排列。LA91合金仍然由兩相組成，只是α相與β相沿?cái)D壓方向呈現(xiàn)出明顯的方向性。LA141合金雖然與LA91的擠壓溫度相同，但表現(xiàn)出截然不同的組織形貌，由均勻的再結(jié)晶晶粒組成。

圖3 試驗(yàn)合金的擠壓態(tài)組織Fig. 3 As-extruded microstructures of studied alloys： （a）LA51； （b） LA91； （c） LA141

2.2 擠壓態(tài)合金的力學(xué)性能

對(duì)擠壓態(tài)的試驗(yàn)合金進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所列。由于基體相的不同，3種合金表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度（YS）隨著 Li含量的增加而增大（沿各個(gè)方向的數(shù)據(jù)變化一致），這與許天才等［20］的研究結(jié)果不符，而伸長(zhǎng)率在Li含量為9%時(shí)達(dá)到最大值。LA141合金的屈服強(qiáng)度比較大，LA51合金在各個(gè)方向上的塑性各向異性最小。

表2 擠壓態(tài)合金沿著不同方向的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of extruded alloys along different tensile directions

圖4 實(shí)驗(yàn)合金沿?cái)D壓方向拉伸后的斷口形貌Fig. 4 Fracture surface morphologies of extruded alloys tested along ED： （a） LA51； （b） LA91； （c） LA141

2.3 合金的斷口形貌

3種擠壓態(tài)合金板材拉伸后的斷口形貌如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，3種合金的拉伸斷口完全不同。LA51合金的斷口以解理面和解理臺(tái)階為主，呈現(xiàn)脆性斷裂機(jī)制（見(jiàn)圖4（a））；LA91合金斷口為大量密集且較深的韌窩，表明該合金主要以韌性斷裂為主（見(jiàn)圖 4（b））；LA141合金的斷口上既有解理面，又有小而深的韌窩，呈現(xiàn)脆性和韌性混合的斷裂機(jī)制（見(jiàn)圖4（c））。3種合金斷裂方式的不同主要與合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。雖然LA51合金的塑性較好（伸長(zhǎng)率達(dá)到23%，較LA141的伸長(zhǎng)率高），但其晶體結(jié)構(gòu)仍為密排六方，在室溫下的變形沒(méi)有體心立方結(jié)構(gòu)合金的容易。LA141合金由于體心立方結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，斷口形貌呈現(xiàn)脆性和韌性混合斷裂特征。LA91合金由于α相和β相的相互協(xié)調(diào)作用，使其具有較好的塑性，因而斷口形貌呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

2.4 合金的力學(xué)性能變化

擠壓變形是提高合金力學(xué)性能的有效手段之一。在一定的溫度條件下施加應(yīng)力，使原有的組織形貌完全破碎，同時(shí)獲得較為細(xì)小的部分再結(jié)晶或完全再結(jié)晶晶粒組織。擠壓變形還能使鑄態(tài)合金中存在的一些氣孔和顯微裂紋消失。在擠壓變形過(guò)程中還有可能伴隨著固態(tài)相變的發(fā)生，由于組織細(xì)化及一定數(shù)量的彌散相的出現(xiàn)，使得擠壓變形后合金的力學(xué)性能往往會(huì)顯著提升［21-23］。

通常情況下，隨著Li含量的增加，由于具有體心立方結(jié)構(gòu)的β-Li相的出現(xiàn)，合金的塑性隨之增加，合金的強(qiáng)度則隨之下降。而本試驗(yàn)中的結(jié)果則與之不同。擠壓態(tài) LA141合金板材的屈服強(qiáng)度最大，伸長(zhǎng)率最?。坏獿A91的伸長(zhǎng)率最佳。

對(duì)于α-Mg基合金而言，較“軟”的相為α-Mg相，即位錯(cuò)更容易在大晶粒尺寸的α-Mg相中開(kāi)動(dòng)。LA51由于是以密排六方α相為基體，故其拉伸強(qiáng)度較其他高鋰含量合金的高。文獻(xiàn)［2，24］中報(bào)道，在鎂中添加Li元素，會(huì)使鎂的軸比c/a降低，原子間距的減小降低了六方晶格沿｛1010｝〈1210〉棱面滑移的啟動(dòng)能，從而使得非基面滑移在室溫下與基面滑移同時(shí)發(fā)生。因此，對(duì)于α單相的Mg-Li合金，雖仍為HCP結(jié)構(gòu)，也具有良好的變形能力，且各向異性行為減弱。但從另一方面來(lái)講，由于非基面滑移的啟動(dòng)，使得位錯(cuò)的移動(dòng)較為容易，所以合金的強(qiáng)度會(huì)比常規(guī)鎂合金的強(qiáng)度低，如AZ31（Mg-3Al-1Zn）合金［25-26］。這與本實(shí)驗(yàn)中LA51合金的研究較為符合。

當(dāng)繼續(xù)增加Li含量，合金的組織由α（HCP）→α+β→β（BCC）轉(zhuǎn)變，合金的塑性變形能力進(jìn)一步得到改善，使其在室溫下的伸長(zhǎng)率得到提高。在LA91合金中，由于BCC結(jié)構(gòu)的β相和HCP結(jié)構(gòu)的α相的相互協(xié)調(diào)作用，從圖3（b）中可以看出，在擠壓變形過(guò)程中，α-Mg相及β-Li相均沿?cái)D壓方向呈現(xiàn)帶狀分布。這也說(shuō)明在β-Li相存在的情況下，α-Mg相的變形更加順利，使得合金的強(qiáng)度和塑性大為改善。當(dāng)Li含量增加到14%時(shí)，合金完全由β-Li相組成，在擠壓變形的作用下，LA141合金的晶粒尺寸較鑄態(tài)時(shí)細(xì)化更多，同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)采用的擠壓溫度較低，所以，LA141合金的屈服強(qiáng)度較高。這也說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)工藝制備的 LA141合金的力學(xué)性能較好。在本實(shí)驗(yàn)中，LA91合金的屈服強(qiáng)度較LA141合金的略低，但其屈強(qiáng)比也較LA141的低，故可通過(guò)冷變形進(jìn)一步強(qiáng)化。

3 結(jié)論

1） 隨著Li含量的增加，合金的結(jié)構(gòu)由α-Mg（HCP）向β-Li（BCC）轉(zhuǎn)變，且合金的組織隨之發(fā)生改變。

2） 擠壓后LA51和LA91合金的晶粒沿?cái)D壓方向呈現(xiàn)方向性排列，LA141合金的晶粒由均勻的再結(jié)晶晶粒構(gòu)成。

3） 隨著 Li含量的增加，擠壓態(tài)合金板材的屈服強(qiáng)度隨之增加，這與合金的結(jié)構(gòu)和織構(gòu)有關(guān)。LA91的綜合力學(xué)性能最佳。

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（編輯 李艷紅）

Microstructure and mechanical properties of as-extruded ultra-light Mg-Li-Al sheet

LI Rui-hong1， JIANG Bin2， CHEN Zhi-jun3， PAN Fu-sheng4
（1. School of Materials and Metallurgy， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， China；
2. College of Materials Science and Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China；
3. The Tenth Sub-company， Inner Mongolia First Machinery Group Corporation， Baotou 014030， China；
4 National Engineering Research Center for Magnesium Alloys， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

The as-cast and extruded microstructures and mechanical properties of three kinds of Mg-Li-Al alloys were studied by optical microscopy， SEM， XRD and tensile test. The results show that， with the increase of lithium additions，the crystal structure transforms from close-packed hexagonal （HCP） structure to body centered cubic （BCC） structure，and the as-cast microstructures of the Mg-Li-Al alloys change correspondingly. After extrusion at 250℃， the grain of Mg-5Li-1Al and Mg-9Li-1Al alloys are arranged along the extruded direction， but the microstructures of Mg-14Li-1Al alloy sheet consist of equiaxed crystals. The yield stress of the extruded alloys is improved gradually with the increase of lithium content. The extruded Mg-9Li-1Al alloy obtains the optimal mechanical properties （the yield stress and elongation are 149 MPa and 25%， respectively）， along the transverse direction.

Mg-Li alloy； extrusion； microstructure； mechanical property

Project （2015BS0512） supported by the Natural Science Foundation of the Inner Mongolia Autonomous Region， China； Project （2014QDL016） supported by Inner Mongolia University of Science and Technology Innovation Fund， China； Project （51171212） supported by the National Natural Science Foundation of China

date： 2015-05-08； Accepted data： 2015-10-18

LI Rui-hong； Tel： +86-472-6896872； E-mail： liruihong1019@163.com

1004-0609（2016）-01-0031-06

TG113.25 TG146.22

A

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015BS0512）；內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（2014QDL016）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51171212）

2015-05-08；

2015-10-18

李瑞紅，講師，博士；電話：0472-6896872；E-mail：liruihong1019@163.com