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度結構材料。但Mg-Li合金的組織結構與理化學特性決定其幾乎無法同時實現 <強韌性-耐腐蝕-抗時效軟化> 的同步大幅提升。

在此，來自澳大利亞國立大學的曾卓然，清華大學的周夢然等研究者，使用一種同時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合金中調控出具有超細晶兩相均勻混合與高密度共格析出物的特殊組織，使材料同時實現了 <超高比強韌-超耐腐蝕-抗時效軟化> 的優異性能。相關論文以題為“Corrosion resistant and high-strength dual-phase Mg-Li-Al-Zn alloy by friction stir processing”發表在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%）成為當前運輸行業輕量化的首選材料。但是“成形性差”與“降解速度過快”是當前制約其應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，但代價是強度較低。通過在Mg-Li合金中添加Al元素，并進行固溶淬火處理，可以得到抗拉強度>400 MPa的高強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度還會因為極快的自然時效軟化在3-6個月內喪失殆盡。同時，雙相Mg-Li合金的電偶效應，使其腐蝕速度4-6倍快于常見的商用Mg合金AZ31，實際應用價值大打折扣。

綜上，目前為止Mg-Li合金在<強韌性>，<耐腐蝕>，<時效軟化>三個主要指標上只能進行犧牲和取舍，同時實現Mg-Li合金材料的<超高強韌性-超耐腐蝕-抗時效軟化>一直是學術界面臨的一個極其艱難的挑戰。

在此，研究者提出了一個同時解決上述三個問題的方法，即通過在以往認為不可能實現耐腐蝕的雙相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）法同時實現了以往認為不可能的 <超細晶>+<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209 kNm/kg的極高比強度；等軸細晶的α+β兩相分布平衡了局部應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；兩相細晶均衡混合阻礙了析出物粗大使得自然時效軟化速率降低1000倍以上。至此，這個困擾了超輕合金研究了領域近70年的問題擁有了一條全新的解決通道，為進一步開發具有優異綜合力學/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 不同處理狀態下Mg-Li-Al合金的力學行為，力學特性與時效過程

圖4 Mg-Li-Al合金材料各加工狀態下自然時效的原位XRD解析

圖5 IQ-FSP處理Mg-Li-Al合金自然時效過程中析出物的透射電鏡觀測結果

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

這樣獨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化的多相合金，并為開發具有更高比強度耐腐蝕的輕合金材料提供基礎。

研究者介紹：

曾卓然，澳大利亞國立大學研究員。2011年與2016年獲得莫納什大學的一等榮譽學士學位和博士學位。2016-2019年于莫納什大學任助理講師。研究專注于高性能鎂合金的開發。他在相關領域Q1期刊上發表了30篇論文，包括《NatureCommunication》和《Acta Materialia》，h指數為16，總引用量>1000。主持并參與了澳大利亞的多個研究項目，擁有多項國際專利。兼任Acta Materialia，IJP等重要期刊的審稿人。

周夢然，清華大學機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材料系碩士與博士學位。2020年至今任清華大學機械系材料成形制造研究所博士后研究員，將于2022年7月入職清華大學機械系，任職助理研究員。研究領域集中在利用攪拌摩擦焊接/加工改善鎂合金力學/耐腐蝕性能，鎂合金成分/組織/性能調控方法與機理研究。在相關領域Q1期刊上發表14篇論文，包括《ActaMaterialia》和《J Mag Alloy》等。獲得過日本焊接學會優秀研究獎，兼任多個期刊審稿人。