Al-Si復(fù)合添加對超輕鎂鋰合金性能影響的研究及展望

供稿|趙子龍，孫紫薇，張聰聰，常森，梁偉 / ZHAO Zi-long， SUN Zi-wei， ZHANG Cong-cong，CHANG Seng， LIANG Wei

Al-Si復(fù)合添加對超輕鎂鋰合金性能影響的研究及展望

供稿|趙子龍，孫紫薇，張聰聰，常森，梁偉 / ZHAO Zi-long， SUN Zi-wei， ZHANG Cong-cong，CHANG Seng， LIANG Wei

內(nèi)容導(dǎo)讀

Mg-Li合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂鋰合金的強(qiáng)化方法有添加合金復(fù)合強(qiáng)化、快速冷卻細(xì)晶強(qiáng)化、等通道角擠壓形變強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等先進(jìn)技術(shù)。文章采用Al-Si復(fù)合添加的合金化方法對鎂鋰合金進(jìn)行了研究實(shí)踐，從添加Al-Si對鎂鋰合金單一α相、α+β雙相、單一β相性能影響的研究出發(fā)，介紹了Al-Si對鎂鋰合金影響的研究現(xiàn)狀。對鎂鋰合金的發(fā)展方向和思路進(jìn)行了展望，認(rèn)為應(yīng)從三方面推動(dòng)其進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用。首先要從提高合金耐腐蝕性和強(qiáng)度上加大研發(fā)力度，發(fā)展含鋰量大于7%的鎂鋰合金和復(fù)合板；其次要向我國醫(yī)學(xué)界借鑒研發(fā)經(jīng)驗(yàn)；第三要重視企業(yè)應(yīng)用對研發(fā)的推動(dòng)作用。只有如此才能推動(dòng)超輕合金的研究取得真正的學(xué)術(shù)進(jìn)步與實(shí)踐推廣。

Mg-Li合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，也被稱為超輕鎂合金。它具有低密度、高比強(qiáng)度和良好的塑性加工性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天、軍工以及通訊電子等領(lǐng)域有了一定程度的應(yīng)用［1-3］。在美國、日本、德國、俄羅斯等國都有商業(yè)鎂鋰合金系。而我國自主品牌的合金系需要以高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品為基礎(chǔ)。為此，重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心主任潘復(fù)生教授在“十三五”鎂合金發(fā)展規(guī)劃思路中指出：超輕鎂合金以含鋰鎂合金為發(fā)展重點(diǎn)，發(fā)展密度小于1.60 g/cm3的超輕鎂合金，力爭抗拉強(qiáng)度大于280～300 MPa，延伸率超過20%。哈爾濱工程大學(xué)超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張密林教授對鎂鋰合金的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能進(jìn)行了深入探討，揭示了材料強(qiáng)韌化機(jī)理、加工過程中組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，綜述了超輕材料與表面技術(shù)的可喜成果，為鎂鋰合金的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)［4］。但國內(nèi)外關(guān)于Al-Si復(fù)合添加對鎂鋰合金組織和性能影響的研究還鮮有報(bào)道，文章從添加Al-Si對鎂鋰合金單一α相、α+β雙相、單一β相性能影響的研究出發(fā)，介紹了Al-Si對鎂鋰合金影響的研究現(xiàn)狀，厘清了鎂鋰合金的發(fā)展方向和發(fā)展思路，以期對我國“十三五”鎂合金發(fā)展規(guī)劃中高質(zhì)完成超輕鎂合金設(shè)定的目標(biāo)聊盡綿薄之力。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用磁懸浮真空感應(yīng)加熱法，將純鎂、純鋰和Al-Si中間合金均勻分層裝入熔煉爐，在氬氣保護(hù)下熔煉單一α相、α+β雙相、單一β相合金，熔煉結(jié)束，液態(tài)合金在銅結(jié)晶器中快速水冷凝固。將鑄錠在電阻爐內(nèi)加熱至300℃，保溫2 h，然后在BKD?130實(shí)驗(yàn)軋機(jī)進(jìn)行軋制，軋制前先將軋輥升溫至150℃，每道次壓下量為20%，由10 mm軋至0.8～1.6 mm，軋制后部分試樣在電退火爐中進(jìn)行150℃、120 min退火。

采用DK7735錐度電火花數(shù)控切割機(jī)床在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合金板材上切取金相試樣。鑄態(tài)和退火態(tài)試樣均拋光后用LEICA DM 2500M型金相顯微鏡觀察合金的顯微組織。按照ASTM E81E8M—2011標(biāo)準(zhǔn)切取拉伸試樣，將拉伸樣在砂紙上打磨直至表面光滑無缺陷，在CMT5205型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)與分析

添加Al-Si對單一α相鎂鋰合金組織和性能的影響

表1為厚度為1.5 mm的Mg4Li、Mg4Li3Al、Mg4Li3AlSi、Mg4Li6AlSi軋制態(tài)和退火態(tài)合金性能對比。從中可以看出在單一α相合金中添加Al和Al-Si可顯著提高合金的抗拉強(qiáng)度，但延伸率有所下降，添加Al-Si的合金綜合性能較好。通過對比熱軋態(tài)和退火態(tài)合金力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)合金在退火后強(qiáng)度下降不明顯，但延伸率大幅提升。由此可以認(rèn)為，單一α相鎂鋰合金退火態(tài)的綜合力學(xué)性能要好于熱軋態(tài)。

表1　熱軋態(tài)和退火態(tài)單一α相鎂鋰合金性能對比

添加Al-Si對α+β雙相鎂鋰合金組織和性能的影響

史全新等人研究了添加Al-Si對Mg-8Li合金力學(xué)性能的影響，并得出Mg-8Li-3（Al-Si） 可獲得最佳力學(xué)性能［5］。在此基礎(chǔ)上，文章對厚度為1.5 mm的Mg8Li、Mg8Li2AlSi、Mg8Li3AlSi、Mg8Li4AlSi、Mg8Li5AlSi、Mg8Li6AlSi等6種合金的性能進(jìn)行了比較研究，得出了α+β雙相鎂鋰合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖1）。從圖1可明顯看出，綜合力學(xué)性能最好的合金為Mg8Li5AlSi。當(dāng)Al-Si添加量超過5%時(shí)，合金的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，但力學(xué)性能快速下降。對于Al-Si對α+β雙相合金的強(qiáng)化機(jī)理，從圖2可以看出，隨著Al-Si添加量的增加，白色的α相有樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，使合金的抗拉強(qiáng)度得到明顯提升。同時(shí)，添加Al-Si后的基體表面有Mg2Si相生成，Mg2Si相為脆性強(qiáng)化相，使合金在得到彌散強(qiáng)化的同時(shí)伸長率下降。

圖1　退火態(tài)雙相鎂鋰合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

添加Al-Si對單一β相鎂鋰合金組織和性能的影響

圖3為熱軋態(tài)單一β相鎂鋰合金性能分析。從圖中可以看出1.5 mm厚的單一β相鎂鋰合金塑性明顯提高，但抗拉強(qiáng)度總體不高。Mg-12Li-6AlSi有最好的綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為175 MPa，伸長率為17.9%。對比熱軋態(tài)和退火態(tài)單一β相鎂鋰合金性能（見表2）可以看到退火態(tài)合金伸長率略有提升，但抗拉強(qiáng)度有明顯降低，因此可以認(rèn)為單一β相鎂鋰合金的熱軋態(tài)綜合力學(xué)性能要好于退火態(tài)。為了研究單一β相鎂鋰合金的綜合力學(xué)性能，對軋制厚度1.2 mm合金進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出1.2 mm厚的合金抗拉強(qiáng)度明顯提高，Mg-12Li-6AlSi有最好的綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為192 MPa，伸長率為17.5%。說明加大軋制變形量可明顯提高單一β相鎂鋰合金的綜合力學(xué)性能。

圖2　退火態(tài)合金微觀組織圖：（a） Mg-8Li ；（b） Mg-8Li-5（Al-Si）

圖3　熱軋態(tài)單一β相鎂鋰合金的性能分析

表2　熱軋態(tài)和退火態(tài)單一β相鎂鋰合金性能對比

研究展望

文章采用Al-Si復(fù)合添加的合金化方法對鎂鋰合金進(jìn)行了研究實(shí)踐，此外鎂鋰合金的強(qiáng)化方法還有快速冷卻細(xì)晶強(qiáng)化、等通道角擠壓形變強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等先進(jìn)技術(shù)。隨著當(dāng)今世界對結(jié)構(gòu)材料輕量化、減重節(jié)能、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展要求的日益提高，鎂鋰合金在需要輕量化結(jié)構(gòu)材料的交通、電子、醫(yī)療產(chǎn)品等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。鎂鋰合金的發(fā)展經(jīng)歷：美國海軍部、宇航局以及Battle研究所在二戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)展開合作大范圍研制鎂鋰合金；二戰(zhàn)以后由于鎂鋰合金耐腐蝕性差進(jìn)入研究低谷期；近十年來鎂鋰合金又重新轉(zhuǎn)變?yōu)檠兄茻狳c(diǎn)。但目前鎂鋰合金的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)情況并不樂觀，尤其是在我國目前還沒有商用鎂鋰合金。從“十五”規(guī)劃到“十三五”規(guī)劃，鎂合金一直是我國新材料研究的重點(diǎn)。為了高效完成“十三五”新規(guī)劃，使我國鎂鋰合金商業(yè)化，文章從Al-Si復(fù)合添加對鎂鋰合金單一α相、α+β雙相、單一β相性能影響的研究分析了目前Al-Si對鎂鋰合金影響的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，厘清了鎂鋰合金的發(fā)展方向和思路。認(rèn)為應(yīng)從以下三方面推動(dòng)其進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用。首先要從提高合金耐腐蝕性和強(qiáng)度上加大研發(fā)力度，發(fā)展含鋰量大于7%的鎂鋰合金和復(fù)合板。其次要向我國醫(yī)學(xué)界借鑒研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，端正科研工作者的作風(fēng)。任何一個(gè)材料科研工作者都應(yīng)該向醫(yī)學(xué)界的屠呦呦、吳合醫(yī)生兩位巨人學(xué)習(xí)幾十年如一日的工作作風(fēng)，要兢兢業(yè)業(yè)去完成自己的科研任務(wù)。對此，國家應(yīng)該從制度上進(jìn)行調(diào)整，鼓勵(lì)并獎(jiǎng)勵(lì)科研工作者更多關(guān)注基礎(chǔ)研究。最后要重視企業(yè)應(yīng)用對研發(fā)的推動(dòng)作用。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)和執(zhí)行者是企業(yè)，鎂鋰合金的研發(fā)要向著有利于企業(yè)應(yīng)用的方向發(fā)展才有意義。鎂鋰合金乃至整個(gè)研發(fā)行業(yè)都應(yīng)該從這三方面抓起，才能真正推動(dòng)超輕合金的研究取得真正有意義的學(xué)術(shù)進(jìn)步與實(shí)踐推廣。

圖4　熱軋態(tài)鎂鋰合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

［1］ Chang T C，Wang J Y，Chu C L，et al. Mechanical properties and microstructures of various Mg-Li alloy. Materials Letters，2006，60（27）：3272

［2］ Wu L B，Cui C L，Wu R Z，et al. Effects of Ce-rich RE additions and heat treatment on the microstructure and tensile properties of Mg-Li-Al-Zn-based alloy . Materials Science and Engineering A，2011，528：2014

［3］ Zdenek D，Zuzanka T，Stanislav K. Deformation behaviour of Mg-Li-Al alloys. Journal of Alloys and Compounds，2004，378：192

［4］ 張密林. 超輕鎂鋰合金設(shè)計(jì)、制備與表面技術(shù). 黑龍江冶金，2014，34（1）：1

［5］ Shi Q X，Bian L P，Liang W，et al. Effects of adding Al-Si eutectic alloy and hot rolling on microstructures and mechanical behavior of Mg-8Li alloys. Journal of Alloys and Compounds，2015，631：129

Research and Outlook of Mechanical Behavior Effecting of Adding Al-Si Eutectic Alloy in Mg-Li Alloys

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.04

山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（No.2014029）；國家自然科學(xué)基金（No.51401143）資助項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金（No.51274149）資助項(xiàng)目

趙子龍（1982—），男，太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀博士，主要從事復(fù)合材料的制備與研究，E-mail：94583374@qq.com。

梁偉，男，教授，主要從事金屬及復(fù)合材料的制備與研究，E-mail：554145958@qq.com。

太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030023