鎂鋰（Mg-Li）合金憑借其極低的密度（通常小于1.5 g/cm3）成為一種極有潛力的高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。但Mg-Li合金的組織結(jié)構(gòu)與理化學(xué)特性決定其幾乎無法同時(shí)實(shí)現(xiàn) <強(qiáng)韌性-耐腐蝕-抗時(shí)效軟化> 的同步大幅提升。

在此，來自澳大利亞國立大學(xué)的曾卓然，清華大學(xué)的周夢然等研究者，使用一種同時(shí)具備局部大塑性變形+原位淬火的原位淬火攪拌摩擦加工（IQ-FSP）法，在雙相Mg-Li-Al合金中調(diào)控出具有超細(xì)晶兩相均勻混合與高密度共格析出物的特殊組織，使材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 <超高比強(qiáng)韌-超耐腐蝕-抗時(shí)效軟化> 的優(yōu)異性能。相關(guān)論文以題為“Corrosion resistant and high-strength dual-phase Mg-Li-Al-Zn alloy by friction stir processing”發(fā)表在Nature子刊《Communications Materials》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-022-00245-3

鎂合金憑借其極低的密度（僅為鋼的25%，鋁的65%）成為當(dāng)前運(yùn)輸行業(yè)輕量化的首選材料。但是“成形性差”與“降解速度過快”是當(dāng)前制約其應(yīng)用拓展的首要瓶頸問題。

Li元素添加的Mg-Li合金具有更佳的變形能力，但代價(jià)是強(qiáng)度較低。通過在Mg-Li合金中添加Al元素，并進(jìn)行固溶淬火處理，可以得到抗拉強(qiáng)度>400 MPa的高強(qiáng)Mg-Li合金，但是伴隨的通常是小于3%的極差延伸率。此外，固溶處理所獲得的高強(qiáng)度還會因?yàn)闃O快的自然時(shí)效軟化在3-6個月內(nèi)喪失殆盡。同時(shí)，雙相Mg-Li合金的電偶效應(yīng)，使其腐蝕速度4-6倍快于常見的商用Mg合金AZ31，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大打折扣。

綜上，目前為止Mg-Li合金在<強(qiáng)韌性>，<耐腐蝕>，<時(shí)效軟化>三個主要指標(biāo)上只能進(jìn)行犧牲和取舍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Mg-Li合金材料的<超高強(qiáng)韌性-超耐腐蝕-抗時(shí)效軟化>一直是學(xué)術(shù)界面臨的一個極其艱難的挑戰(zhàn)。

在此，研究者提出了一個同時(shí)解決上述三個問題的方法，即通過在以往認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)耐腐蝕的雙相Mg-Li合金LZ91中加入一定量的Al元素，再通過全新的原位淬火攪拌摩擦加工（IQ-FSP）法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了以往認(rèn)為不可能的 <超細(xì)晶>+<兩相均勻等軸混合>+<高密度納米析出相>特異組織。均勻分布的高密度D03-Mg3Al析出物賦予了材料高達(dá)209 kNm/kg的極高比強(qiáng)度；等軸細(xì)晶的α+β兩相分布平衡了局部應(yīng)力分布使得材料拉伸率接近20%；致密共格析出物腐蝕過程中形成的致密鈍化膜賦予材料低至0.72 mg/cm2*day的腐蝕速率；兩相細(xì)晶均衡混合阻礙了析出物粗大使得自然時(shí)效軟化速率降低1000倍以上。至此，這個困擾了超輕合金研究了領(lǐng)域近70年的問題擁有了一條全新的解決通道，為進(jìn)一步開發(fā)具有優(yōu)異綜合力學(xué)/腐蝕的金屬材料提供了新的途徑與思路。

圖1 IQ-FSP制備Mg-Li-Al合金的電化學(xué)腐蝕特性

圖2 IQ-FSP制備Mg-Li-Al合金與母材的腐蝕行為對比

圖3 不同處理狀態(tài)下Mg-Li-Al合金的力學(xué)行為，力學(xué)特性與時(shí)效過程

圖4 Mg-Li-Al合金材料各加工狀態(tài)下自然時(shí)效的原位XRD解析

圖5 IQ-FSP處理Mg-Li-Al合金自然時(shí)效過程中析出物的透射電鏡觀測結(jié)果

綜上所述，研究者展示了一種反直覺的賦予Mg-Li合金優(yōu)異性能的方法。該方法使得材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超高的強(qiáng)韌性平衡，超低的腐蝕速率的同時(shí)，克服了以往研究中最難以克服的自然時(shí)效軟化的問題。這樣的優(yōu)異性能得益于IQ-FSP特殊的“變形場”+“熱場”耦合，創(chuàng)造出了均衡細(xì)晶等軸雙相組織與致密共格的納米析出相，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化耐腐蝕的基礎(chǔ)上，抑制了納米強(qiáng)化相D03-Mg3Al向粗大的AlLi相轉(zhuǎn)變的過程，使得材料強(qiáng)度與耐腐蝕特性能夠在長達(dá)2年的自然時(shí)效中得以保證。

這樣獨(dú)特的材料組織特性與加工方式的耦合選擇策略適用于多種材料，包括更多借由固溶析出強(qiáng)化的多相合金，并為開發(fā)具有更高比強(qiáng)度耐腐蝕的輕合金材料提供基礎(chǔ)。

研究者介紹：

曾卓然，澳大利亞國立大學(xué)研究員。2011年與2016年獲得莫納什大學(xué)的一等榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位。2016-2019年于莫納什大學(xué)任助理講師。研究專注于高性能鎂合金的開發(fā)。他在相關(guān)領(lǐng)域Q1期刊上發(fā)表了30篇論文，包括《NatureCommunication》和《Acta Materialia》，h指數(shù)為16，總引用量>1000。主持并參與了澳大利亞的多個研究項(xiàng)目，擁有多項(xiàng)國際專利。兼任Acta Materialia，IJP等重要期刊的審稿人。

周夢然，清華大學(xué)機(jī)械系材料成型所博士后研究員。2017年于2020年獲得日本大阪大學(xué)材料系碩士與博士學(xué)位。2020年至今任清華大學(xué)機(jī)械系材料成形制造研究所博士后研究員，將于2022年7月入職清華大學(xué)機(jī)械系，任職助理研究員。研究領(lǐng)域集中在利用攪拌摩擦焊接/加工改善鎂合金力學(xué)/耐腐蝕性能，鎂合金成分/組織/性能調(diào)控方法與機(jī)理研究。在相關(guān)領(lǐng)域Q1期刊上發(fā)表14篇論文，包括《ActaMaterialia》和《J Mag Alloy》等。獲得過日本焊接學(xué)會優(yōu)秀研究獎，兼任多個期刊審稿人。