《Journal of Alloys and Compounds》：Strength-Ductility Synergy in a Cast Mg–Li Alloy Enabled by Alloying-Induced Hierarchically Heterogeneous Structure
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镁锂合金通过添加Al、Y、Gd元素形成多层次异质结构，包含微米级Al?(Y,Gd)、亚微米级Mg?Al和纳米级α-Mg相，实现300 MPa强度与35%延伸率的协同优化，为铸态超轻高强材料开发提供新路径。
宁 超|宗德 口|凯凯 宋|曾谦 刘|德学 刘|哲峰 张
兰州工业大学材料科学与工程学院，中国兰州 730050
摘要
Mg-Li 合金由于其低密度和高比强度，成为轻量化结构应用的理想候选材料；然而，其更广泛的应用仍受到强度-延展性权衡的限制。本文开发了一种新的铸造 Mg–10.2Li–4.56Al–1.53Y–2.29Gd（重量百分比）合金，以解决这一挑战。微观结构分析显示，该合金具有层次异质性，包含微尺度的 Al?(Y, Gd) 和 AlLi 颗粒、亚微米级的 Mg?Al 沉积物以及含有纳米孪晶的纳米级 α-Mg 相，所有这些成分都嵌入 β-Li 基体中。这种多尺度微观结构使得合金具有应变硬化能力，最终抗拉强度达到 300 MPa，伸长率为 35%，在铸造 Mg–Li 合金中表现优异。这些结果突显了通过合金化实现的层次结构设计是通往超轻量、高性能金属材料的一条实用途径。
引言
镁锂（Mg–Li）合金以其超低密度（1.35–1.65 g/cm3）、高比强度和优异的成形性而受到越来越多的关注，适用于航空航天、电子及其他轻量化结构领域。根据 Mg–Li 二元相图，基体可以存在三种形式：具有六方密排（HCP）结构的 α-Mg 相、具有体心立方（BCC）结构的 β-Li 相以及 α+β 双相微结构[1]。其中，β-基体 Mg–Li 合金因其高锂含量而具有超低密度和优异的延展性，但它们天生存在强度低和老化软化倾向的问题，这大大限制了其应用范围。
人们已经投入大量努力通过微观结构工程来强化 β-基体 Mg–Li 合金。例如，添加高浓度的 Al 和 Zn 并快速冷却可以诱导旋涡分解，促进纳米级半相干相的析出[2][3][4]。在 Mg–13Li–15Zn 合金中，淬火后形成富锂的旋涡分解区，随后在老化过程中演变为富锂区域和有序的富 Zn B? 沉积物的微结构，使压缩屈服强度提高到 495 MPa[3]。在水淬的 Mg–14Li–7Al 合金中也可以形成纳米级的富 Al 区域，这些区域后来转变为 D??-Mg?Al 相，使比强度达到 470–500 kN·m·kg?1[4]。通过额外的 CO? 淬火，可以在 β-基体中形成更细小且更稳定的富 Al 沉积物，从而改善机械性能和耐腐蚀性[5]。此外，Ag 合金化可以在淬火的 Mg–15Li–6Al–2Ag 合金中诱导 Al-Ag 共聚，使屈服强度达到 500 MPa[6]。值得注意的是，旋涡分解也可以直接发生在铸造态的 Mg–13Li–6Al–6Zn 中，形成微尺度的富 Mg 和富 Al 相，从而同时增强强度和阻尼能力[7]。这些研究共同表明，有针对性的合金化策略可以调整微观到纳米尺度的结构，以改善 β-基体 Mg–Li 合金的机械性能。然而，尽管强度有所提高，但相关的强化沉淀物本质上具有脆性和亚稳态，这不仅会降低延展性，还可能导致即使在室温下也会在老化过程中强度下降[8]。因此，需要采取替代的强化-增韧策略来实现 β-基体 Mg–Li 合金的高强度和高延展性。
引入异质结构已成为缓解均匀材料中难以避免的强度-延展性权衡的有效策略[9]。近年来，这种策略越来越多地应用于 Mg–Li 合金，以提高其整体机械性能。例如，超高压热处理可以在双相 Mg–8Li–1Y 合金中引入纳米级的收缩孪晶和密集的堆垛缺陷，从而阻碍位错运动并增强强度[10]。采用类似的方法，可以在 Mg–8Li 合金中形成交织的连续网络，通过生成密集的层次双收缩纳米孪晶，同时提高屈服强度和延展性[11]。此外，热挤压后进行室温旋转锻造可以细化晶粒并增加位错密度，在 Mg–7Li–4Al–1.5Sn–0.5Bi 合金中产生多级异质结构，使其抗拉强度达到 351 MPa，伸长率为 17%[12]。通过旋转锻造，也可以在 Mg–6Li–3Al–0.4Ce 合金中引入高密度的位错、孪晶和堆垛缺陷，使其抗拉强度达到 411 MPa，伸长率为 11%[13]。这些研究共同证明了热机械加工在构建层次结构和改善强度-延展性协同作用方面的有效性。然而，这些报告主要集中在 α-Mg 相或 α+β 双相合金上，其对 β-基体 Mg-Li 合金的适用性仍待探索。此外，热机械加工耗时且成本较高，其实施可能受到部件几何形状和尺寸的限制。相比之下，铸造具有显著优势——包括能够生产大型复杂部件、低成本制造以及广泛的材料适用性——因此在 Mg–Li 合金及其他金属材料的制造和实际应用中起着关键作用。然而，复杂的多尺度异质结构在未经后续热机械处理的直接铸造过程中难以形成。因此，目前可用的铸造 Mg–Li 合金的强度很少超过 250 MPa[14]。
合金化是调整铸造合金微观结构的主要手段。在 Mg–Li 合金中，由于 Al 的低密度和良好的固溶度，广泛添加 Al 以在保持轻量优势的同时实现机械强化。最近的研究越来越多地探索稀土（RE）合金化，包括共同添加（如 Y 和 Gd），以实现多机制强化并提高微观结构稳定性[15][16][17]。我们之前的研究表明，一种含有高 Al 和 RE 元素（Y、Gd 和 Sc）总合金量的铸造 Mg–Li 合金达到了 203 MPa 的抗拉强度，同时保持了良好的延展性。然而，Sc 价格昂贵，而相对较高的 Y 和 Gd 含量会不可避免地增加合金密度。受整体成本-密度-性能权衡的驱动，本研究保留了多元合金化策略，但去除了 Sc，减少了 Y 和 Gd 的含量，并增加了 Al 的含量，从而得到了一种新的 Mg–Li–Al–Y–Gd 合金。这种合金具有多层次异质结构，包含多个不同长度尺度的沉淀物和组成相，实现了强度和延展性的优异结合。因此，本研究为开发高性能 Mg–Li 合金提供了一种有前景的策略。
材料与方法
所研究的合金是在配备进料斗的真空感应熔炼炉中制造的。原材料包括商业纯度的 Mg、纯 Li、纯 Al 以及 Mg-30Gd 和 Mg-30Y 母合金。除了 Li 之外，所有原材料都经过机械抛光以去除表面杂质，然后装入不锈钢坩埚中，并在氩气保护下加热至约 850 ℃。完全熔化后，熔体在 850 ℃ 下保持 10 分钟，然后冷却至约 750 ℃。随后，纯 Li…
结果与讨论
通过 ICP-OES 确定所研究合金的实际组成为 Mg–10.2Li–4.56Al–1.53Y–2.29Gd（重量百分比）。如图 1a 和 1b 所示，该合金主要由 β-Li 基体以及 Al?(Y, Gd)、AlLi、Mg?Al 和 α-Mg 相组成。图 1c 中，不规则的块状颗粒均匀分布在基体中。EDS 映射（图 1d）证实这些颗粒富含 Al、Y 和 Gd，与 XRD 鉴定的 Al?(Y, Gd) 相一致。此外，Al…
CRediT 作者贡献声明
德学 刘：指导。哲峰 张：指导。凯凯 宋：撰写——初稿。曾谦 刘：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，概念构思。宁 超：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，研究，数据管理。宗德 口：撰写——初稿，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（12162023、52471133、52471152 和 52173269）、甘肃省关键人才项目、甘肃省基础研究创新团队基金（编号 23JRRA757）、甘肃省重大科技项目（编号 23ZDGA010）、辽宁省优秀青年基金（2024JH3/50100015）以及甘肃省支持的优秀博士计划的支持。
