激光粉末床熔融与脉冲等离子体烧结制备双相Mg-Li合金耐蚀性

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有高比刚度和强度、出色的阻尼性能、高导热性和导电性等特点，非常符合现代工业对材料轻量化的需求。然而，镁合金的应用受到其低耐腐蚀性和成形性差的限制。因此，如何改善镁合金的耐蚀性和成形性一直是国内外学术界关注和研究的重点。粉末冶金和增材制造是两种近净成形加工方法，可以有效解决镁合金成形性差的问题。此外，已有研究表明粉末冶金和增材制造可以提高镁合金的耐蚀性能，为镁合金的制备和成形提供了极有吸引力的替代方案。因此，探索采用粉末冶金技术制备镁合金的工艺和路线对于改善镁合金的成形性和耐蚀性至关重要。

最近，波兰华沙工业大学的Anna Dobkowska博士等人首次利用粉末冶金的方法制备了双相镁锂合金，利用超声雾化技术将挤压态Mg-7.5Li-3Al-Zn合金转化为粉末，然后分别利用激光粉末床熔合（LPBF）和脉冲等离子烧结（PPS）技术将粉末材料进行固结完成镁锂合金的制备，并对所制备合金的微观组织结构和耐蚀性能进行了表征和测试。LPBF和PPS制备的合金具有细小AlLi相和粗大的富Al、Zn、Mn析出相，并且能够调整合金中α-Mg和β-Li的比例，当材料完全固结时，可以提高双相结构Mg-Li合金的耐蚀性。研究结果表明，粉末冶金技术在Mg-Li基合金制备成形方面具有广阔的应用前景。

采用SEM/EDX和原子吸收光谱对超声雾化制备的合金粉末进行了形貌分析和化学分析。如图1a所示，粉末合金的颗粒呈球形，未观察到团聚现象。单个颗粒的形貌如图1b所示，EDX分析显示该颗粒由Mg、Al和Zn组成（图1d和e）。原子吸收光谱结果证实，在挤压铸锭的雾化过程中没有观察到Li蒸发和/或氧化，其含量约为7.4%，在雾化过程中也没有发生Zn损耗。粉末的相组成，即α-Mg、β-Li、 AlLi和MgLi2Al。粉末的横截面扫描电镜观察表明，颗粒的外部区域存在孔隙（图1c），颗粒由α-Mg和β-Li组成，α-Mg占80%，β-Li占19%。在粉末的微观结构中也可以看到AlLi颗粒（图1f）。对于相同的固结，使用的粉末尺寸为29~200 μm。颗粒的平均直径为70 μm。10%的粉末颗粒粒径小于48 μm，90%的粉末颗粒粒径小于95 μm。并通过XRD测量计算了粉末、PPS和LPBF合金的相对相组成，发现α-Mg、β-Li和析出相的比例发生了变化。粉末冶金技术有利于用雾化粉末制备超细和细晶Mg-7.5Li-3Al-Zn合金。

图1 粉末Mg-7.5Li-3Al-Zn合金的SEM：a)粉末整体图像，b)单颗粒图像，c)粉末微观组织，d) a区EDX分析，e)面板放大区域b)， f)粉末微观组织放大区域

重点对挤压态合金与LPBF和PPS制备出的合金样品的微观组织进行了对比研究，结果如图2所示。LPBF和PPS制备的合金也具有双相结构，然而，由于不同的加工路线，相的形状、大小和分布发生了变化，但合金中Li的浓度并未发生变化。根据不同的加工工艺，合金中形成了细化程度不同、α-Mg和β-Li体积比不同的双相组织。相比于传统工艺制备的挤压态合金，LPBF和PPS制备的合金具有细小AlLi相和粗大的富Al、Zn、Mn析出相。研究发现，雾化粉末PPS参数的选择并不能使微观组织完全再结晶，合金中仍存在未再结晶的颗粒边界，利用LPBF制备的打印态合金的主要缺陷是其孔隙度高，这些都对其耐蚀性产生了负面影响。

图2 a)挤压Mg-7.5Li-3Al-Zn合金，b) LPBF制备合金，c) PPS制备合金的微观组织平面图像和相应的三维图像

本研究还对挤压态合金与LPBF和PPS制备出的合金样品的腐蚀行为进行了对比研究，如图3所示。结果表明，通过粉末冶金方法生产的样品比常规挤压合金具有更高的腐蚀速率。LPBF打印合金的腐蚀速率最高，为3.7×104 g/(m 2day)，PPS材料的腐蚀速率较低，为2.5×104 g/(m 2day)，挤压合金的腐蚀速率最低，为2.3×104 g/(m 2day)。从电容回路半径也可以看出，挤压合金的耐蚀性最高，而LPBF和PPS合金的耐蚀性都明显降低。α-Mg与β-Li的体积分数对挤压合金的腐蚀性能起主要作用。α-Mg与β-Li的比例越均匀，腐蚀的阴极到阳极位置分布越均匀。因此，如果我们能够避免3D打印合金中的孔隙，其耐腐蚀性应该超过传统挤压合金。LPBF和PPS工艺的优势在于改变α-Mg与β-Li的比例，当材料实现完全固结时，可以提高双结构Mg-Li合金的耐腐蚀性。

图3 实验合金的腐蚀行为

综上所述，本研究利用激光粉末床熔合（LPBF）和脉冲等离子烧结（PPS）技术制备了Mg-7.5Li-3Al-Zn合金，具有细小AlLi相和粗大的富Al、Zn、Mn析出相，利用该方法能够制备超细晶镁锂合金，并可以通过调整不同的加工工艺，调整合金中α-Mg和β-Li的比例，实现材料的完全固结，能够提高双相结构Mg-Li合金的耐蚀性。首次通过粉末冶金方法制备出了镁锂合金，研究表明粉末冶金技术在制备Mg-Li基合金方面具有广阔的应用前景，为粉末冶金技术在镁锂合金制备上的应用奠定了基础。( JMA_CCMg)