超轻Mg-Li-Al系变形镁合金挤压板材的组织及性能

李瑞红，蒋 斌，陈志军，潘复生

（1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，包头 014010；2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；3. 内蒙古第一机械集团有限公司 第十分公司，包头 014030；4. 重庆大学 国家镁合金工程技术研究中心，重庆 400044）

超轻Mg-Li-Al系变形镁合金挤压板材的组织及性能

李瑞红1，蒋 斌2，陈志军3，潘复生4

（1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，包头 014010；
2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；
3. 内蒙古第一机械集团有限公司 第十分公司，包头 014030；
4. 重庆大学 国家镁合金工程技术研究中心，重庆 400044）

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%）。

镁锂合金；挤压；显微组织；力学性能

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≤1×10-2Pa，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1 试验合金的XRD谱Fig. 1 XRD patterns of studied alloys： （a） LA51； （b） LA91； （c）LA141

图2 试验合金的铸态金相组织Fig. 2 As-cast optical microstructures of studied alloys：（a） LA51； （b） LA91； （c） LA141

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： （a）LA51； （b） LA91； （c） LA141

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

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： （a） LA51； （b） LA91； （c） LA141

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。

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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（编辑 李艳红）

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

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）

2015-05-08；

2015-10-18

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