鎂鋰合金被稱(chēng)為超輕合金，密度在1.35~1.65g/cm³之間，是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。該合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、冷熱變形能力強(qiáng)、各向異性不明顯等特性，同時(shí)還具有良好的電磁屏蔽性能以及阻尼性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是航空航天、電子和軍事等領(lǐng)域理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?strong>然而較低的絕對(duì)強(qiáng)度嚴(yán)重限制了鎂鋰合金在工業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。目前為止，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于鎂鋰合金的探索主要集中在制備方法、合金化、熱處理以及變形加工處理對(duì)其結(jié)構(gòu)及性能的影響，但是鎂鋰合金的絕對(duì)強(qiáng)度仍基本局限在250MPa左右。在前人研究的基礎(chǔ)上，仍需要進(jìn)一步探索，研制出性能更加優(yōu)異的鎂鋰合金。

旋鍛作為一種加工軸類(lèi)、管類(lèi)零件的自由成形方法，具有加工范圍廣、加工精度高、產(chǎn)品性能好、材料利用率高和生產(chǎn)靈活性大等特點(diǎn)。旋鍛過(guò)程中，4塊鍛模環(huán)繞坯料軸線高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對(duì)坯料進(jìn)行高頻鍛打，從而使坯料軸截面尺寸減小或形狀改變，繼而提高其性能。近10 來(lái)年，旋鍛技術(shù)得到不斷改善，被用來(lái)制備多層管狀復(fù)合材料和有色金屬材料，例如鋁合金或者銅合金，也被用來(lái)加工鎂合金這類(lèi)難以室溫加工的材料。因此本研究利用低成本旋鍛技術(shù)在室溫下對(duì)鎂鋰合金進(jìn)行塑性變形，目的在于獲得大塊高強(qiáng)鎂鋰合金，同時(shí)對(duì)變形機(jī)制進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究和揭示。

南京理工大學(xué)的研究人員通過(guò)應(yīng)變量?jī)H為0.32的旋鍛變形，成功地制備了一種具有新的強(qiáng)度記錄的超輕大塊高強(qiáng)鎂鋰合金，其室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)到405MPa。相關(guān)論文以題為“Achieving ultra-strong Magnesium–lithium alloys by low-strain rotary swaging”發(fā)表在Materials Research Letters上。

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https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1891150

本文采用直徑為20.2mm的Mg-4Li-3Al-3Zn合金樣品，通過(guò)多道次小應(yīng)變的室溫旋鍛技術(shù)，將直徑減少至17.2mm，等效應(yīng)變量為0.32。研究表明旋鍛技術(shù)在Mg-4Li-3Al-3Zn內(nèi)部引入了高密度的孿晶和納米層錯(cuò)，從而獲得了室溫抗拉強(qiáng)度超過(guò)400MP的超高強(qiáng)度超輕鎂鋰合金，為目前鎂鋰合金體系中的最高強(qiáng)度，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)利用旋鍛工藝的高應(yīng)變速率以及三向應(yīng)力等特征，形成更好的金屬流線，避免了孿晶界處的應(yīng)力集中和裂紋的產(chǎn)生，從而制備了大塊高強(qiáng)鎂鋰合金，為鎂鋰合金工業(yè)化的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新的方向和可能性。

圖1 旋鍛工藝示意圖及旋鍛樣品微觀組織與力學(xué)性能對(duì)比圖

圖2 (HR)TEM揭示了孿晶和納米層錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，小應(yīng)變旋鍛在Mg-4Li-3Al-3Zn內(nèi)部引入的高密度孿晶分別包括拉伸孿晶以及壓縮孿晶，另外如圖2（c）中所示還存在一種由多次孿晶產(chǎn)生的特殊層狀結(jié)構(gòu)。變形初期，大量的一次孿生從晶界平行發(fā)射，形成狹長(zhǎng)的孿晶帶，同時(shí)孿生過(guò)程中孿生尖端會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使得大量的多次孿生被激活。另外孿晶內(nèi)部也存在大量從晶界發(fā)射形成的納米層錯(cuò)，層錯(cuò)類(lèi)型包括生長(zhǎng)層錯(cuò)I1型及變形層錯(cuò)I2型。GPA分析生動(dòng)展示了納米層錯(cuò)可以強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)的滑移，帶來(lái)強(qiáng)化效果。因此除了孿晶強(qiáng)化以外，高密度的納米間距堆垛層錯(cuò)也是主要的強(qiáng)化機(jī)制之一。

本研究首次對(duì)鎂鋰合金進(jìn)行旋鍛變形觀察，并且成功制備了具有新的強(qiáng)度記錄的大塊超輕高強(qiáng)鎂鋰合金。與其他劇烈塑性變形工藝相比，旋鍛工藝在小應(yīng)變變形的條件下即在大塊鎂鋰合金中引入高密度的孿晶和納米層錯(cuò)，有效了阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和保持了應(yīng)變硬化，這主要與RS過(guò)程中的高應(yīng)變速率以及不斷變化的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。上述成果為高強(qiáng)鎂鋰合金工業(yè)化的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新的方向和可能性。