超轻Mg-Li-Al系变形镁合金挤压板材的组织及性能-有色金属在线

通过OM、SEM、XRD和拉伸实验研究3种典型的Mg-Li-Al合金的铸态和挤压态组织及力学性能。结果表明：随着Li含量的增加，合金的结构从密排六方向体心立方转变，合金的铸态组织随之发生改变。经过250 ℃挤压处理后，Mg-5Li-1Al和Mg-9Li-1Al合金的晶粒沿挤压方向呈方向性排列，Mg-14Li-1Al合金由均匀的等轴晶(再结晶晶粒)组成。随着Li含量的增加，挤压态合金板材的屈服强度逐渐增大，其中挤压态Mg-9Li-1Al合金板材的综合力学性能最佳(屈服强度达到149 MPa，伸长率达到25%)。

关键词: 镁锂合金；挤压；显微组织；力学性能

中图分类号：TG113.25 TG146.22　　文献标志码：A

作为最轻的金属结构材料，镁锂合金具有比强度和比刚度高、阻尼减震性能优良、抗高能粒子穿透能力强，尤其是其变形性能的优势，使得它在宇航、兵器、汽车、电子等领域有广阔的应用前景^[1-4]。根据Mg-Li合金相图^[5-7]，随着Li含量的增加，Mg-Li合金可分为α相合金(w(Li)＜5.5%)、α+β两相合金(5.5%＜w(Li)＜11%)和β相合金(w(Li)＞11%)。其中α相为锂固溶于镁中的固溶体，具有密排六方晶体(HCP)结构；β相为镁固溶于锂中的固溶体，具有体心立方(BCC)结构。由于体心立方结构的出现，使Mg-Li合金的塑性得到极大改善，并改变了镁合金因滑移系少、加工成型困难的缺点，从而引起各国研究者的极大兴趣^[8-11]。

同时，随着Li含量的增加，镁锂合金的强度、耐蚀性及抗蠕变性能下降比较多。为得到性能优良、稳定性好的镁锂系合金，合金化作为一种强化手段，被广泛应用。铝在固态镁中有较大的固溶度，它是Mg-Li合金的主要强化元素之一^[12-14]。近年来，已经广泛应用的Mg-Li-Al合金主要有Mg-14Li-1Al(LA141)、Mg-9Li-1Al(LA91)等。

由于Li元素的出现，使得镁锂合金的结构发生了变化。因此，近年来对于镁锂合金的研究在逐年增加，研究人员的主要精力集中于镁锂合金中的结构转变，对于单相合金而言，随着Li含量的增加，其性能的变化以及其中的机理研究^[15-18]。WANG等^[19]研究了随着Li含量的增加，铸态镁锂合金的阻尼性能，但是并没有研究其力学性能的变化。XU等^[1]研究Mg-8Li-3Al- 0.5Mn-Sr合金的铸态及挤压态显微组织，同时也研究了挤压棒材的力学性能。结果表明：LAM830-0.75Sr合金的抗拉强度可以达到265.46 MPa，但其伸长率只有17.1%。随着镁合金产品的逐步推广，作为高技术含量、高附加值的产品，镁合金板材是支撑镁合金广泛应用的主要基础结构材料。因此，如何在密度、塑性和强度三者之间取得较好的结果是Mg-Li系合金板材发展和应用中的关键问题。本文作者对3种不同锂含量、较为典型的Mg-Li-Al合金的组织与力学性能进行了研究，以期为镁锂合金板材的广泛应用提供理论依据。

1 实验

本实验中所用原料为99.90%Mg、99.90%Li、99.90%Al(质量分数)。实验所使用的合金是在真空感应熔炼炉中，采用氩气气氛保护熔炼而成。按照纯锂锭的质量计算设计合金的质量。首先，将纯镁锭和纯铝锭按照设定成分进行切割、称量、打磨、清洗，使其表面光滑无氧化层。其次，将熔炼炉加热至 150 ℃烘干，把所有原料快速加入到熔炼炉中的坩埚，并将炉密封；对感应熔炼炉抽真空至气压≤1×10^-2 Pa，然后充入纯氩气至 30 kPa；之后将感应炉加热进行熔炼，待原料充分熔化后，在 720 ℃保温静置 20 min，然后加大氩气的通入量增加炉膛内压力，将熔体压入预热的金属模具(模具尺寸为d168 mm×510 mm)中；待铸锭在空气中冷却后，从模具中取出。为防止金属锂被氧化，实验全程在氩气保护下进行。合金的实测化学成分如表1所列。

表1 试验合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions of alloys

合金铸锭经250 ℃保温10 h均匀化处理后，在1250T型挤压机上挤压成宽120 mm、厚2 mm的板材。挤压方式为正向热挤压，挤压比为83.7。由于锂含量不同，3种合金的变形温度也不同，LA51的挤压温度为350 ℃，而LA91与LA141合金的挤压温度设定为280 ℃。从铸态及挤压态合金上分别截取试样，在Newphot-30型金相显微镜观察组织形貌，采用Rigaku D/max 2500PC X型射线衍射仪进行合金相成分分析。采用CMT5000系列微机控制电子万能试验机对挤压态合金进行力学性能测试，按照与挤压方向呈0°、45°、90° 3个方向取样，力学性能数据取至3个试样的平均值。

2 结果与分析

2.1 合金的显微组织

图1所示为3种铸态合金的XRD谱。从图1中可以看出，3种合金的相组成完全不同：LA51合金主要由α-Mg单相组成(见图1(a))，LA91合金主要由α-Mg和β-Li相组成(见图1(b))，而LA141合金则主要由β-Li组成(见图1(c))。另外，在LA91和LA141合金中还有少量的LiMgAl₂相存在，这种相组成也与后面的显微组织相对应。

图2所示为3种合金的铸态显微组织。如图2(a)所示，LA51合金由均匀的等轴状晶粒组成，晶粒内几乎没有其他相的存在。LA91合金由细小白色针状的α-Mg(HCP)相和灰色β-Li(BCC)相组成(见图2(b))。LA141铸态合金的晶粒比较粗大(见图2(c))。

图1 试验合金的XRD谱

Fig. 1 XRD patterns of studied alloys

图2 试验合金的铸态金相组织

Fig. 2 As-cast optical microstructures of studied alloys

图3所示为不同Li含量的3种镁锂合金的挤压态组织。由图3可以看出，3种合金的组织较铸态时细小许多。其中LA51合金由均匀细小的再结晶晶粒组成，大部分晶粒沿着挤压方向(ED)排列。LA91合金仍然由两相组成，只是α相与β相沿挤压方向呈现出明显的方向性。LA141合金虽然与LA91的挤压温度相同，但表现出截然不同的组织形貌，由均匀的再结晶晶粒组成。

图3 试验合金的挤压态组织

Fig. 3 As-extruded microstructures of studied alloys

2.2 挤压态合金的力学性能

对挤压态的试验合金进行了拉伸实验，其实验结果如表2所列。由于基体相的不同，3种合金表现出不同的力学性能。在本试验范围内，屈服强度(YS)随着Li含量的增加而增大(沿各个方向的数据变化一致)，这与许天才等^[20]的研究结果不符，而伸长率在Li含量为9%时达到最大值。LA141合金的屈服强度比较大，LA51合金在各个方向上的塑性各向异性最小。

表2 挤压态合金沿着不同方向的力学性能

Table 2 Mechanical properties of extruded alloys along different tensile directions

2.3 合金的断口形貌

3种挤压态合金板材拉伸后的断口形貌如图4所示。由图4可见，3种合金的拉伸断口完全不同。LA51合金的断口以解理面和解理台阶为主，呈现脆性断裂机制(见图4(a))；LA91合金断口为大量密集且较深的韧窝，表明该合金主要以韧性断裂为主(见图4(b))；LA141合金的断口上既有解理面，又有小而深的韧窝，呈现脆性和韧性混合的断裂机制(见图4(c))。3种合金断裂方式的不同主要与合金的晶体结构有关。虽然LA51合金的塑性较好(伸长率达到23%，较LA141的伸长率高)，但其晶体结构仍为密排六方，在室温下的变形没有体心立方结构合金的容易。LA141合金由于体心立方结构的出现，断口形貌呈现脆性和韧性混合断裂特征。LA91合金由于α相和β相的相互协调作用，使其具有较好的塑性，因而断口形貌呈现韧性断裂特征。

图4 实验合金沿挤压方向拉伸后的断口形貌

Fig. 4 Fracture surface morphologies of extruded alloys tested along ED

2.4 合金的力学性能变化

挤压变形是提高合金力学性能的有效手段之一。在一定的温度条件下施加应力，使原有的组织形貌完全破碎，同时获得较为细小的部分再结晶或完全再结晶晶粒组织。挤压变形还能使铸态合金中存在的一些气孔和显微裂纹消失。在挤压变形过程中还有可能伴随着固态相变的发生，由于组织细化及一定数量的弥散相的出现，使得挤压变形后合金的力学性能往往会显著提升^[21-23]。

通常情况下，随着Li含量的增加，由于具有体心立方结构的β-Li相的出现，合金的塑性随之增加，合金的强度则随之下降。而本试验中的结果则与之不同。挤压态LA141合金板材的屈服强度最大，伸长率最小；但LA91的伸长率最佳。

对于α-Mg基合金而言，较“软”的相为α-Mg相，即位错更容易在大晶粒尺寸的α-Mg相中开动。LA51由于是以密排六方α相为基体，故其拉伸强度较其他高锂含量合金的高。文献[2，24]中报道，在镁中添加Li元素，会使镁的轴比c/a降低，原子间距的减小降低了六方晶格沿{1010}<1210>棱面滑移的启动能，从而使得非基面滑移在室温下与基面滑移同时发生。因此，对于α单相的Mg-Li合金，虽仍为HCP结构，也具有良好的变形能力，且各向异性行为减弱。但从另一方面来讲，由于非基面滑移的启动，使得位错的移动较为容易，所以合金的强度会比常规镁合金的强度低，如AZ31(Mg-3Al-1Zn)合金^[25-26]。这与本实验中LA51合金的研究较为符合。

当继续增加Li含量，合金的组织由α(HCP)→α+β→β(BCC)转变，合金的塑性变形能力进一步得到改善，使其在室温下的伸长率得到提高。在LA91合金中，由于BCC结构的β相和HCP结构的α相的相互协调作用，从图3(b)中可以看出，在挤压变形过程中，α-Mg相及β-Li相均沿挤压方向呈现带状分布。这也说明在β-Li相存在的情况下，α-Mg相的变形更加顺利，使得合金的强度和塑性大为改善。当Li含量增加到14%时，合金完全由β-Li相组成，在挤压变形的作用下，LA141合金的晶粒尺寸较铸态时细化更多，同时，本实验采用的挤压温度较低，所以，LA141合金的屈服强度较高。这也说明了本实验工艺制备的LA141合金的力学性能较好。在本实验中，LA91合金的屈服强度较LA141合金的略低，但其屈强比也较LA141的低，故可通过冷变形进一步强化。

3 结论

1) 随着Li含量的增加，合金的结构由α-Mg(HCP)向β-Li(BCC)转变，且合金的组织随之发生改变。

2) 挤压后LA51和LA91合金的晶粒沿挤压方向呈现方向性排列，LA141合金的晶粒由均匀的再结晶晶粒构成。

3) 随着Li含量的增加，挤压态合金板材的屈服强度随之增加，这与合金的结构和织构有关。LA91的综合力学性能最佳。

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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)

Abstract: 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.

Key words: Mg-Li alloy; extrusion; microstructure; mechanical property

Foundation item: 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

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

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

(编辑李艳红)

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2015BS0512)；内蒙古科技大学创新基金资助项目(2014QDL016)；国家自然科学基金资助项目(51171212)

收稿日期：2015-05-08；修订日期：2015-10-18

通信作者：李瑞红，讲师，博士；电话：0472-6896872；E-mail：liruihong1019@163.com

摘要：通过OM、SEM、XRD和拉伸实验研究3种典型的Mg-Li-Al合金的铸态和挤压态组织及力学性能。结果表明：随着Li含量的增加，合金的结构从密排六方向体心立方转变，合金的铸态组织随之发生改变。经过250 ℃挤压处理后，Mg-5Li-1Al和Mg-9Li-1Al合金的晶粒沿挤压方向呈方向性排列，Mg-14Li-1Al合金由均匀的等轴晶(再结晶晶粒)组成。随着Li含量的增加，挤压态合金板材的屈服强度逐渐增大，其中挤压态Mg-9Li-1Al合金板材的综合力学性能最佳(屈服强度达到149 MPa，伸长率达到25%)。