通过高压热处理对Mg-Li-Sn-Sm合金进行微观结构重构及强度-延展性协同性能的提升

《Journal of Rare Earths》：Microstructure reconstruction and strength-ductility synergy enhancement in Mg-Li-Sn-Sm alloy by high-pressure heat treatment

通过Sm/Sn合金化结合高压热处理（6 GPa，1100 °C，0.5 h）成功开发了高强度高塑性的Mg-6Li-2Sn-2Sm合金，其微观结构重构形成多尺度异质结构，协同激活晶粒细化、沉淀强化和异质变形诱导强化机制，最终实现压缩屈服强度273 MPa、抗拉强度439 MPa和工程应变59.3%的优异综合性能。

　　

杨振昭|张光瑞|王家豪|马晓春|吴瑞志|于哲|王丹|冯晓燕|马志坤|王彦松|徐晨|谢宇航

教育部超轻材料与表面技术重点实验室，哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001，中国

摘要

本研究通过结合Sm/Sn合金化和高压热处理，开发出一种高强度、高延展性的Mg–Li合金。含有2 wt% Sm的铸态合金表现出最佳的综合性性能。随后进行的高压热处理（6 GPa，1100 °C，0.5 h）使得Mg-6Li-2Sn-2Sm合金的微观结构发生显著重构，形成了多尺度异质结构：铸态网络中分布着离散的Mg₃Sm/Mg₂Sn复合颗粒，均匀的双相基体由微尺度的α-Mg相和β-Li相组成，以及分散在β-Li相中的纳米级针状α-Mg沉淀物。这种结构协同激活了多种强化机制，包括晶粒细化、沉淀强化和异质变形诱导强化，使合金具有273 MPa的压缩屈服强度、439 MPa的极限压缩强度和59.3%的最大工程应变，从而实现了优异的强度-延展性协同效应。本研究为开发低成本、高性能的Mg–Li合金提供了关于微观结构设计和加工策略的新见解。

引言

作为最轻的金属结构材料，镁（Mg）合金的密度明显低于铝合金、钛合金和钢材[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。由于其高比强度和高比模量，镁合金在航空航天、国防和交通运输领域具有广泛的应用前景[7]、[8]。然而，传统的商用镁合金通常具有较低的强度、较差的延展性和不足的耐腐蚀性，这限制了它们的大规模工业应用[9]、[10]、[11]。为了解决这些问题，研究人员开发了多种强化策略，包括合金化、塑性变形和热处理[12]、[13]、[14]。其中，引入锂（Li）制备镁-锂（Mg–Li）合金可以降低密度并提高塑性[15]、[16]、[17]、[18]。当Li含量超过5.7 wt%时，部分六方密排（HCP）α-Mg基体转变为体心立方（BCC）β-Li相，形成α+β双相微观结构[19]。这种结构在变形过程中可以激活更多的滑移系，显著提高塑性和成形性[20]、[21]。此外，两种相之间的硬度差异可以诱导异质变形诱导（HDI）强化[22]、[23]。该机制源于软硬相之间的应变不匹配，导致几何必需位错（GNDs）在界面处积累，并建立自平衡的内部应力场。软相产生背应力，而硬相产生与载荷同向的前应力，它们的耦合增强了屈服强度并提高了应变硬化能力[24]、[25]。

尽管镁-锂合金在塑性方面具有优势，但通常强度较低[26]、[27]，因此需要进一步合金化。常见的添加元素如铝（Al）和锌（Zn）可以增强合金，但它们的亚稳相在室温下不稳定，容易发生室温时效[17]、[18]。因此，添加锡（Sn）成为开发高强度和低成本镁-锂合金的有效途径。Sn可以细化晶粒并形成热稳定的Mg₂Sn，从而提供晶粒细化和沉淀强化[28]、[29]、[30]。然而，Sn单独提供的强化效果有限。近年来，稀土（RE）合金化成为研究热点[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。在这些元素中，低成本的钐（Sm）被证明适合与Sn共添加，从而形成热稳定的Mg–Sn–Sm金属间化合物，实现更强的综合强化效果[36]、[37]、[38]。

在铸态Mg–Li–Sm–Sn合金中，第二相通常较为粗大。通常需要后续处理来调整微观结构以满足机械性能要求。鉴于这些相的热稳定性，微观结构控制通常通过塑性变形实现[29]、[30]、[36]、[37]。然而，变形常常伴随着明显的工作硬化，这阻碍了强度和延展性的协同提升，从而限制了整体机械性能的优化。本文提出了一种新的方法——高压热处理（HPHT）。HPHT通常在几GPa的极端压力下结合高温进行[39]、[40]。在这种条件下，压力作为独立于温度和成分的热力学变量，可以显著改变相变温度、溶解度极限、成核障碍和原子扩散速率[41]、[42]、[43]。因此，HPHT不仅可以调节含有热稳定相的合金的微观结构，还可以诱导在标准大气压下无法形成的新相、新结构和新性能。例如，在Mg–Li合金中，HPHT处理可以诱导次级相的溶解，从而形成过饱和固溶体。在随后的冷却过程中，更细小且分布更均匀的强化相可以从过饱和固溶体中析出[44]、[45]。此外，高压环境可以有效抑制晶粒生长，促进超细晶粒甚至纳米晶结构的形成，从而显著提高晶粒细化强化效果[46]、[47]、[48]。在特定的处理条件下，HPHT处理还可以诱导高密度的纳米孪晶和堆垛缺陷。这些相干界面可以有效阻碍位错运动，并作为位错的存储位点，从而协同增强合金的强度和延展性[49]、[50]、[51]。因此，HPHT为镁-锂-Sn–Sm合金的微观结构协同调节和强度与延展性的增强提供了有效途径。

总之，通过系统的成分设计和HPHT工艺优化，本研究实现了镁-锂-Sn–Sm合金强度和延展性的协同提升。基于对最佳条件下处理的合金的深入分析，系统阐明了微观结构演变及其相关的强化和增韧机制，为高性能镁-锂合金的开发提供了新的理论理解和加工指导。

实验部分

实验

在本研究中，设计了Mg-6Li-2Sn-xSm（x = 0 wt%，1 wt%，2 wt%，4 wt%）合金体系。Li含量设定为6 wt%，以确保形成α-Mg/β-Li双相基体，从而实现强度和延展性的协同效应[52]。Sn的添加量固定为2 wt%，这是基于其在Mg–Li合金中的已知固溶强化效果和材料成本之间的平衡考虑[53]。通过系统改变Sm含量（0–4 wt%），本研究旨在阐明其对合金性能的影响

机械性能

图2(a1)和(a2)显示了铸态Mg-6Li-2Sn-xSm（x = 0，1，2，4）合金的室温工程压缩应力-应变曲线及其相应的机械性能。结果表明，Sm的添加对合金的机械性能有显著影响。对于不含Sm的Mg-6Li-2Sn合金，压缩屈服强度（CYS，σ_yc）、极限压缩强度（UCS，σ_uc）和最大工程压缩应变（ε_c,max）分别为107 MPa、246 MPa和17.5%

微观结构演变

在1100 °C和6 GPa下进行0.5小时的高压热处理后，Mg-6Li-2Sn-2Sm合金的微观结构发生了深刻演变。如图8所示，双相基体和次级相结构都发生了显著重构。

结论

本研究通过成分设计和HPHT处理优化，成功实现了Mg-6Li-2Sn-2Sm合金的强度和延展性的协同提升。主要结论如下：

• (1)
  在铸态下，添加2 wt%的Sm促进了Mg₂Sn和Mg₄₁Sm₅的共生长，形成了连续的网状第二相，显著增强了合金的强度。
• (2)
  HPHT（6 GPa，1100 °C）诱导了基体和次级相的协同重构：

利益冲突声明

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致谢

本文还得到了中央高校的基础研究基金（3072024CFJ1002）和稀土新材料技术创新中心开放课题（G2025-K-24(31)-46(68）的支持。