哈工程《JMST》:复合稀土微合金化制备低各向异性双相镁锂合金

第一作者：钟峰

通讯作者：巫瑞智教授

通讯单位：哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院

论文DOI：10.1016/j.jmst.2019.04.045

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如何改善变形镁合金强织构导致的各向异性是这一新型超轻质材料在我国产业化和大规模应用的关键技术问题之一，而合金化和变形加工是达成这一目的的常用技术手段。哈尔滨工程大学巫瑞智教授课题组提出复合添加微量稀土元素（Y/Ce），使其与Al元素形成热稳定第二相从而细化组织。随后通过交叉轧制使晶粒取向随轧制方向的改变而发生转动且第二相分布更均匀。同时在轧制变形过程中，碎化的第二相会诱导动态再结晶晶粒的形核，细化晶粒，从而改善合金板材的各向异性。这项研究同时利用合金化和变形加工技术制备出低各向异性的高强镁锂合金。相关研究以Effect of Y and Ce on the microstructure, mechanical properties and anisotropy of as-rolled Mg-8Li-1Al alloy为题发表在Journal of Materials Science & Technology ( Volume 39, 2020, Page 124-134 )。

背景介绍
由于镁的晶体结构为密排六方，在变形过程中镁合金极易产生严重的基面织构，导致其变形型材的力学性能具有比较严重的各向异性，最终影响其使用性能。Li的加入能改变镁合金晶胞的轴比及其晶体结构，而稀土元素能与Mg以及其他合金元素形成金属间化合物，并通过第二相与基体的相互作用来提高合金性能，同时弱化合金基面织构。

研究出发点

钇、铈，作为镁合金常用的合金化元素，单一添加时能有效强化镁锂合金的性能和弱化基面织构。交叉轧制制备出的板材组织均匀性更高，力学性能提升更加明显且各向异性有所减弱。基于这些特点，本研究以通过合金化和变形加工调控各向异性作为研究出发点，以期获得各向异性可控和优良成型性的超轻镁锂合金材料。

图文解析
1 复合添加稀土元素对于合金微观组织的影响随着合金化元素含量及种类的改变，板材的相组成亦在变化（如图1所示）。结合XRD和SEM结果可知，Mg-8Li-Al合金主要具有α-Mg和β-Li双相组织；而分别单独添加Y、Ce时，基体中会析出Al₂Y或Al₂Ce相；当两种稀土元素复合添加时，第二相的主要成分则为Al₂(Y, Ce)相，随着第二相的形成，晶界的迁移被阻碍，基体相得以细化。当Y/Ce复合添加的含量大于1.5%时，第二相开始富集，其钉扎作用变低。经过交叉轧制后，第二相碎化且分布更加均匀，增强了第二相强化效果。

图1  铸态及轧制态LA81-xY-yCe合金SEM图：(a) LA81, (b) LA81-0.6Y, (c) LA81-0.6Ce, (d) LA81-0.6Ce-0.3Y, (e) LA81-0.6Ce-0.6Y, (f) LA81-0.6Ce-0.9Y, (g) LA81-0.6Ce-1.2Y。
2 复合添加稀土元素对于合金力学性能的影响通过室温拉伸试验，我们分别测得了该系列合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率（如图2所示）。随着合金化元素种类和添加量的增加，合金板材的强度均先升高后降低，延伸率的变化趋势则大致与之相反。轧制态LA81-0.6Ce-0.6Y的综合性能最好，抗拉强度为278.7 Mpa、延伸率为15.0%；与LA81合金相比，极限抗拉强度提高了17.5%，延伸率降低了3.5%。其中强度的提升主要归功于第二相强化和细晶强化。

图2 轧制态LA81-xY-yCe合金的室温拉伸性能。(a)抗拉强度，(b)屈服强度，(c)伸长率。
3 复合添加稀土元素对于合金各向异性的影响镁合金中织构和各向异性往往是息息相关的。通过研究织构的演变，我们可以判断各向异性的变化趋势（如图3所示）。稀土元素的复合添加弱化了α-Mg相中基面织构，促进了β-Li相中(110) 织构的增强。此外，dr/dt能在一定程度上反映c轴的偏转程度。dr/dt值越接近1，合金晶粒c轴沿RD方向和TD方向的偏转程度越接近，各向异性越小。因此，LA81-0.6Y-0.6Ce的dr/dt值为1.05，接近于临界值，这表明其各向异性弱化效果明显。

图3 轧制态LA81-xY-yCe合金的极图。α-Mg相(0002)极图 (a) LA81合金，(b) LA81-0.6Y-0.6Ce合金 β-Li相(110)极图 (c) LA81合金，(d) LA81-0.6Y-0.6Ce合金。
轧制板材各向异性指数的计算结果（如表1所示）验证了上述结论。一般而言，各向异性指数r_avg、△r越大，板平面内各向异性愈严重。当稀土元素钇和铈的添加量均为0.6 wt%时，r_avg和△r的值都是最小的，分别为1.07和0.03。综上所述，LA81-0.6Ce-0.6Y合金板材表现出近似各向同性。
表1轧制板材各向异性指数的计算

总结与展望
本研究提出复合添加了微量稀土元素（Y/Ce），使其与Al元素形成热稳定第二相从而细化组织。随后通过交叉轧制使晶粒取向随轧制方向的改变而发生转动且第二相分布更均匀。同时在轧制变形过程中，碎化的第二相会诱导动态再结晶晶粒的形核，细化晶粒，从而改善合金板材的各向异性，最终利用合金化和变形加工技术制备出低各向异性的高强镁锂合金。
解决镁锂合金型材力学性能各向异性的控制问题并提升合金的塑性成型能力，有利于材料的进一步加工成型，将为镁锂合金这一新型超轻质材料在我国产业化和大规模的推广应用提供可靠的技术保障。

作者简介

通讯作者简介：巫瑞智，哈尔滨工程大学材化学院教授、博士生导师，任超轻材料与表面技术教育部重点实验室常务副主任，主要从事轻质金属结构材料的研究。主持多项国家自然科学基金、装发领域基金重点项目、国防基础科研、中俄政府间合作项目等科研项目。获省部级科技奖二等奖4项，获得黑龙江省青年科技奖称号。兼任中国镁合金学会理事、中国镁合金青年委员会荣誉主任、《Acta Metallurgica Sinica》和《Journal of Magnesium Alloys》编委。

来源： JMST