鎂鋰合金被稱為超輕合金，密度在1.35~1.65g/cm3之間，是目前工程應用中最輕的金屬結構材料。該合金具有比強度和比剛度高、冷熱變形能力強、各向異性不明顯等特性，同時還具有良好的電磁屏蔽性能以及阻尼性能等諸多優點，因此是航空航天、電子和軍事等領域理想的輕質結構材料，具有廣泛的應用前景和巨大的發展潛力。然而較低的絕對強度嚴重限制了鎂鋰合金在工業中的進一步發展和應用。目前為止，國內外的學者對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其結構及性能的影響，但是鎂鋰合金的絕對強度仍基本局限在250MPa左右。在前人研究的基礎上，仍需要進一步探索，研制出性能更加優異的鎂鋰合金。

旋鍛作為一種加工軸類、管類零件的自由成形方法，具有加工范圍廣、加工精度高、產品性能好、材料利用率高和生產靈活性大等特點。旋鍛過程中，4塊鍛模環繞坯料軸線高速旋轉的同時對坯料進行高頻鍛打，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 來年，旋鍛技術得到不斷改善，被用來制備多層管狀復合材料和有色金屬材料，例如鋁合金或者銅合金，也被用來加工鎂合金這類難以室溫加工的材料。因此本研究利用低成本旋鍛技術在室溫下對鎂鋰合金進行塑性變形，目的在于獲得大塊高強鎂鋰合金，同時對變形機制進行深入系統的研究和揭示。

南京理工大學的研究人員通過應變量僅為0.32的旋鍛變形，成功地制備了一種具有新的強度記錄的超輕大塊高強鎂鋰合金，其室溫抗拉強度可達到405MPa。相關論文以題為“Achieving ultra-strong Magnesium–lithium alloys by low-strain rotary swaging”發表在Materials Research Letters上。

論文鏈接：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，通過多道次小應變的室溫旋鍛技術，將直徑減少至17.2mm，等效應變量為0.32。研究表明旋鍛技術在Mg-4Li-3Al-3Zn內部引入了高密度的孿晶和納米層錯，從而獲得了室溫抗拉強度超過400MP的超高強度超輕鎂鋰合金，為目前鎂鋰合金體系中的最高強度，具有明顯的優勢。同時利用旋鍛工藝的高應變速率以及三向應力等特征，形成更好的金屬流線，避免了孿晶界處的應力集中和裂紋的產生，從而制備了大塊高強鎂鋰合金，為鎂鋰合金工業化的生產和應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性能對比圖

圖2 (HR)TEM揭示了孿晶和納米層錯強化機制

研究發現，小應變旋鍛在Mg-4Li-3Al-3Zn內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生的特殊層狀結構。變形初期，大量的一次孿生從晶界平行發射，形成狹長的孿晶帶，同時孿生過程中孿生尖端會產生局部應力集中，使得大量的多次孿生被激活。另外孿晶內部也存在大量從晶界發射形成的納米層錯，層錯類型包括生長層錯I1型及變形層錯I2型。GPA分析生動展示了納米層錯可以強烈地阻礙位錯的滑移，帶來強化效果。因此除了孿晶強化以外，高密度的納米間距堆垛層錯也是主要的強化機制之一。

本研究首次對鎂鋰合金進行旋鍛變形觀察，并且成功制備了具有新的強度記錄的大塊超輕高強鎂鋰合金。與其他劇烈塑性變形工藝相比，旋鍛工藝在小應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，有效了阻止位錯的運動和保持了應變硬化，這主要與RS過程中的高應變速率以及不斷變化的應力狀態有關。上述成果為高強鎂鋰合金工業化的生產和應用提供了新的方向和可能性。