Al-Si复合添加对超轻镁锂合金性能影响的研究及展望

供稿|赵子龙，孙紫薇，张聪聪，常森，梁伟 / ZHAO Zi-long， SUN Zi-wei， ZHANG Cong-cong，CHANG Seng， LIANG Wei

Al-Si复合添加对超轻镁锂合金性能影响的研究及展望

供稿|赵子龙，孙紫薇，张聪聪，常森，梁伟 / ZHAO Zi-long， SUN Zi-wei， ZHANG Cong-cong，CHANG Seng， LIANG Wei

内容导读

Mg-Li合金是目前最轻的金属结构材料。镁锂合金的强化方法有添加合金复合强化、快速冷却细晶强化、等通道角挤压形变强化和固溶强化等先进技术。文章采用Al-Si复合添加的合金化方法对镁锂合金进行了研究实践，从添加Al-Si对镁锂合金单一α相、α+β双相、单一β相性能影响的研究出发，介绍了Al-Si对镁锂合金影响的研究现状。对镁锂合金的发展方向和思路进行了展望，认为应从三方面推动其进一步研发应用。首先要从提高合金耐腐蚀性和强度上加大研发力度，发展含锂量大于7%的镁锂合金和复合板；其次要向我国医学界借鉴研发经验；第三要重视企业应用对研发的推动作用。只有如此才能推动超轻合金的研究取得真正的学术进步与实践推广。

Mg-Li合金是目前最轻的金属结构材料，也被称为超轻镁合金。它具有低密度、高比强度和良好的塑性加工性能等优点，已经在航空航天、军工以及通讯电子等领域有了一定程度的应用［1-3］。在美国、日本、德国、俄罗斯等国都有商业镁锂合金系。而我国自主品牌的合金系需要以高性能、高质量的产品为基础。为此，重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心主任潘复生教授在“十三五”镁合金发展规划思路中指出：超轻镁合金以含锂镁合金为发展重点，发展密度小于1.60 g/cm3的超轻镁合金，力争抗拉强度大于280～300 MPa，延伸率超过20%。哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术教育部重点实验室的张密林教授对镁锂合金的微观结构和宏观性能进行了深入探讨，揭示了材料强韧化机理、加工过程中组织结构的演变规律，综述了超轻材料与表面技术的可喜成果，为镁锂合金的发展做出了重要的贡献［4］。但国内外关于Al-Si复合添加对镁锂合金组织和性能影响的研究还鲜有报道，文章从添加Al-Si对镁锂合金单一α相、α+β双相、单一β相性能影响的研究出发，介绍了Al-Si对镁锂合金影响的研究现状，厘清了镁锂合金的发展方向和发展思路，以期对我国“十三五”镁合金发展规划中高质完成超轻镁合金设定的目标聊尽绵薄之力。

实验方法

实验采用磁悬浮真空感应加热法，将纯镁、纯锂和Al-Si中间合金均匀分层装入熔炼炉，在氩气保护下熔炼单一α相、α+β双相、单一β相合金，熔炼结束，液态合金在铜结晶器中快速水冷凝固。将铸锭在电阻炉内加热至300℃，保温2 h，然后在BKDØ130实验轧机进行轧制，轧制前先将轧辊升温至150℃，每道次压下量为20%，由10 mm轧至0.8～1.6 mm，轧制后部分试样在电退火炉中进行150℃、120 min退火。

采用DK7735锥度电火花数控切割机床在不同生产环节的合金板材上切取金相试样。铸态和退火态试样均抛光后用LEICA DM 2500M型金相显微镜观察合金的显微组织。按照ASTM E81E8M—2011标准切取拉伸试样，将拉伸样在砂纸上打磨直至表面光滑无缺陷，在CMT5205型万能实验机上进行拉伸实验。

技术与分析

添加Al-Si对单一α相镁锂合金组织和性能的影响

表1为厚度为1.5 mm的Mg4Li、Mg4Li3Al、Mg4Li3AlSi、Mg4Li6AlSi轧制态和退火态合金性能对比。从中可以看出在单一α相合金中添加Al和Al-Si可显著提高合金的抗拉强度，但延伸率有所下降，添加Al-Si的合金综合性能较好。通过对比热轧态和退火态合金力学性能，可以发现合金在退火后强度下降不明显，但延伸率大幅提升。由此可以认为，单一α相镁锂合金退火态的综合力学性能要好于热轧态。

表1　热轧态和退火态单一α相镁锂合金性能对比

添加Al-Si对α+β双相镁锂合金组织和性能的影响

史全新等人研究了添加Al-Si对Mg-8Li合金力学性能的影响，并得出Mg-8Li-3（Al-Si） 可获得最佳力学性能［5］。在此基础上，文章对厚度为1.5 mm的Mg8Li、Mg8Li2AlSi、Mg8Li3AlSi、Mg8Li4AlSi、Mg8Li5AlSi、Mg8Li6AlSi等6种合金的性能进行了比较研究，得出了α+β双相镁锂合金的应力-应变曲线（见图1）。从图1可明显看出，综合力学性能最好的合金为Mg8Li5AlSi。当Al-Si添加量超过5%时，合金的强度进一步提高，但力学性能快速下降。对于Al-Si对α+β双相合金的强化机理，从图2可以看出，随着Al-Si添加量的增加，白色的α相有树枝状转变为块状，使合金的抗拉强度得到明显提升。同时，添加Al-Si后的基体表面有Mg2Si相生成，Mg2Si相为脆性强化相，使合金在得到弥散强化的同时伸长率下降。

图1　退火态双相镁锂合金的应力-应变曲线

添加Al-Si对单一β相镁锂合金组织和性能的影响

图3为热轧态单一β相镁锂合金性能分析。从图中可以看出1.5 mm厚的单一β相镁锂合金塑性明显提高，但抗拉强度总体不高。Mg-12Li-6AlSi有最好的综合力学性能，抗拉强度为175 MPa，伸长率为17.9%。对比热轧态和退火态单一β相镁锂合金性能（见表2）可以看到退火态合金伸长率略有提升，但抗拉强度有明显降低，因此可以认为单一β相镁锂合金的热轧态综合力学性能要好于退火态。为了研究单一β相镁锂合金的综合力学性能，对轧制厚度1.2 mm合金进行拉伸实验，结果见图4。从图中可以看出1.2 mm厚的合金抗拉强度明显提高，Mg-12Li-6AlSi有最好的综合力学性能，抗拉强度为192 MPa，伸长率为17.5%。说明加大轧制变形量可明显提高单一β相镁锂合金的综合力学性能。

图2　退火态合金微观组织图：（a） Mg-8Li ；（b） Mg-8Li-5（Al-Si）

图3　热轧态单一β相镁锂合金的性能分析

表2　热轧态和退火态单一β相镁锂合金性能对比

研究展望

文章采用Al-Si复合添加的合金化方法对镁锂合金进行了研究实践，此外镁锂合金的强化方法还有快速冷却细晶强化、等通道角挤压形变强化和固溶强化等先进技术。随着当今世界对结构材料轻量化、减重节能、环保以及可持续发展要求的日益提高，镁锂合金在需要轻量化结构材料的交通、电子、医疗产品等领域展现出了广阔的应用前景。镁锂合金的发展经历：美国海军部、宇航局以及Battle研究所在二战爆发时展开合作大范围研制镁锂合金；二战以后由于镁锂合金耐腐蚀性差进入研究低谷期；近十年来镁锂合金又重新转变为研制热点。但目前镁锂合金的应用现实情况并不乐观，尤其是在我国目前还没有商用镁锂合金。从“十五”规划到“十三五”规划，镁合金一直是我国新材料研究的重点。为了高效完成“十三五”新规划，使我国镁锂合金商业化，文章从Al-Si复合添加对镁锂合金单一α相、α+β双相、单一β相性能影响的研究分析了目前Al-Si对镁锂合金影响的研究及应用现状，厘清了镁锂合金的发展方向和思路。认为应从以下三方面推动其进一步研发应用。首先要从提高合金耐腐蚀性和强度上加大研发力度，发展含锂量大于7%的镁锂合金和复合板。其次要向我国医学界借鉴研发经验，端正科研工作者的作风。任何一个材料科研工作者都应该向医学界的屠呦呦、吴合医生两位巨人学习几十年如一日的工作作风，要兢兢业业去完成自己的科研任务。对此，国家应该从制度上进行调整，鼓励并奖励科研工作者更多关注基础研究。最后要重视企业应用对研发的推动作用。产业发展的推动和执行者是企业，镁锂合金的研发要向着有利于企业应用的方向发展才有意义。镁锂合金乃至整个研发行业都应该从这三方面抓起，才能真正推动超轻合金的研究取得真正有意义的学术进步与实践推广。

图4　热轧态镁锂合金的应力-应变曲线

［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］ 张密林. 超轻镁锂合金设计、制备与表面技术. 黑龙江冶金，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

山西省回国留学人员科研资助项目（No.2014029）；国家自然科学基金（No.51401143）资助项目；国家自然科学基金（No.51274149）资助项目

赵子龙（1982—），男，太原理工大学材料科学与工程学院在读博士，主要从事复合材料的制备与研究，E-mail：94583374@qq.com。

梁伟，男，教授，主要从事金属及复合材料的制备与研究，E-mail：554145958@qq.com。

太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030023