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二十一世纪以来，随着全球工业化的推进，各种资源被大规模开发和利用，能源危机日益显现。工业生产的节能减排是全世界关注的焦点和追求目标，因此，轻质材料已成为当前的研究热点。镁锂合金是目前最轻的金属结构材料，与其他传统的金属结构材料相比，拥有低密度的镁锂合金是具有广泛应用潜力的材料。但是，其绝对强度低，严重限制了镁锂合金的发展与应用。随着对镁锂合金的持续且深入研究，发现添加合金元素能有效提高镁锂合金的强度。

【资料图】

对于合金化来说，添加稀土元素已成为近年来研究的热点，合金中添加稀土元素Y后，由于Y固溶度较大，可以起到固溶强化作用，同时还可显著细化晶粒，提高合金强度，是强化镁锂合金的理想元素。具有较高固溶度的Al，加入镁锂合金后，可以通过固溶强化来改善合金的力学性能，也是最常用的强化元素，因此，Mg-Li-Al系合金已成为众多学者的研究热点。铸态合金通过挤压变形可以破碎并细化铸态中的粗大晶粒和第二相颗粒，且可以消除合金铸造中生成的缩孔、缩松等缺陷，能够进一步提高镁锂合金力学性能。

目前研究主要集中在不同Y元素对Mg-Li-Al-Y系合金的性能影响，而关于不同Al元素对Mg-Li-Al-Y系合金组织和力学性能的影响研究较少。本文通过挤压成型制备了不同Al含量的Mg-9Li-xAl-0.6Y合金，探究不同Al含量对挤压态Mg-9Li-xAl-0.6Y合金组织、力学性能的影响机制。以期为研究挤压态Mg-Li-Al-Y合金在工业生产中的应用和发展提供理论支撑。

实验

实验材料

合金熔炼准备所用的原材料为纯镁、纯锂、纯铝和Mg-30Y中间合金。

实验过程及方法

熔炼实验前，首先将准备的原材料表面打磨去除氧化物，然后根据合金设计中的成分比例计算各自所需要的量，再将打磨后的原材料切割并用电子天平称量计算所需的质量。随后把石墨坩埚放入带氩气保护的电阻熔炼炉中，将温度加热到200℃、保温30min，电阻炉炉膛内通入氩气，将炉温升到710℃，将称量好的镁锭熔化后再分别将准备好的纯锂、纯铝和Mg-30Y中间合金浸入到镁熔液里，经熔化、打渣、保温后出炉的合金液浇注到事先预热到150℃的金属模具（Φ85mm×45mm）中，得到加工成尺寸为Φ80mm×30mm的圆锭，在挤压前对圆锭进行250℃×2h的预热，随后取出，在挤压温度为250℃、挤压比为25的条件下，采用型号为XJ-500的热挤压机将圆锭挤压成Φ16mm的棒材，挤压后合金的成分经原子吸收光谱法测定。

使用线切割将挤压后的棒材上加工成10 mm（平行挤压方向）×6mm（垂直挤压方向）的金相样品。将金相样品分别经400目、800目、1200目、1500目砂纸打磨，随后将打磨好的样品进行抛光处理，直至表面无划痕，随后用4%的硝酸酒精溶液对吹干后的抛光样品进行腐蚀，采用型号为OLYMPUS PMG3的光学显微镜（OM）和型号为TESCAN VEGA 3LMH的扫描电子显微镜（SEM）观察挤压后试样的组织形貌以及拉伸断口形貌，同时，采用型号为CMT-5105的拉伸实验机对每个样品进行3次拉伸实验，拉伸速度为2mm/min，然后取3次的平均值作为拉伸结果。

结果与分析

微观组织分析

Al含量分别为0、3%、6%和9%的挤压态Mg-9Li-xAl-0.6Y合金在挤压温度250℃条件下，合金挤压变形后垂直于挤压方向和平行于挤压方向的金相组织照片分别见图所示。亮白色的为α-Mg相，暗灰色的为β-Li相。相比铸态镁锂合金，挤压后合金的α-Mg相和β-Li相细化明显，呈絮状分布。当Al含量不断增加时，相比Al含量为0时的挤压态Mg-9LixAl-0.6Y合金，合金中的α-Mg相数量明显增加，增加的趋势不同。Al含量从0%增加到9%时，合金中的α-Mg相数量增加量呈现先增大后减小的变化趋势，β-Li相数量变化趋势与之相反。

合金中加入Al元素，α-Mg相数量会增加的原因是：根据不同合金元素的电负性，Al元素与Li元素间的电负性差值最大，随着Al元素的添加，合金中的Li元素会与之优先形成AlLi相，会导致合金中Li元素含量降低，由Mg-Li合金二元相图可知，Li元素含量的减少使得Mg/Li的比值增加，进而导致了β-Li相数量的减少、α-Mg相数量的增加。而随着Al元素的增加，α-Mg相数量增加、β-Li相数量减少的幅度不同，其原因是：当Al元素添加到合金中的量从0到3%时，Al元素含量不多，此时，主要与Li元素形成AlLi相；而Al元素含量从3%到9%时，除了一部分与Li元素形成AlLi相外，由表3中与Al元素间的电负性差值可知，还可能有一部分与Y、Mg、Li元素之间形成Al2Y相和MgLi2Al相，消耗了部分Al元素，从而使合金中Mg/Li的比值增加量有所降低。

α-Mg相在挤压力的作用下沿挤压方向形成了细长的纤维状组织。可看出呈流线型的第二相颗粒在合金中平行于挤压方向分布，且在α/β相界和β晶界上也分布着大量的第二相颗粒，在β-Li相中分布着大量的细小等轴晶粒，这是因为在挤压过程中β-Li相较α-Mg相软，β-Li相优先变形发生动态再结晶，最后形成细小的等轴晶。

相界和晶界处分布着大量的第二相颗粒，与前面光学显微照片看到的结果相一致。随着Al元素含量的变多，生成的较大颗粒球状亮白色的金属间化合物数量也随之变多，这主要是因为随着Al元素的含量不断增加，与Y、Mg、Li元素之间生成Al2Y、MgLi2Al等金属化合物，且数量会增多。

基于EDS能谱结果，可以看到Mg-9Li-xAl-0.6Y合金中的较大球状亮白色颗粒相主要有Mg、Al和Y三种元素，Y和Al的原子比接近于1∶2，根据前面的分析并结合以前的文献，可以推断合金中的较大的亮白色颗粒相为Al2Y，较小的白色颗粒相主要由Mg和Al元素组成（由于设备限制，EDS无法检测到Li）。结合以前研究的结果，较小的明亮颗粒为MgLi2Al。

拉伸性能分析

在合金未加入Al元素时，1#试样的抗拉强度为182MPa，延伸率为27.6%。当Al元素含量从0分别增加到3%、6%和9%时，2#、3#和4#试样的抗拉强度分别增加到214、225和261MPa。延伸率的变化趋势却与之不同，随着Al元素含量的增加，试样的延伸率先降低到18.4%,之后又升至21.2%，最后降至5.8%，为最小值。

随着Al元素含量的增加，合金试样的抗拉强度不断得到提升。其原因为Al元素加入到合金中形成大量的第二相颗粒，这些第二相颗粒在合金中会阻碍位错的移动，使得合金的抗拉强度提高，位错移动的受阻会导致合金的延伸率降低。而当Al元素含量增加到6%时，合金的塑性却提高了，因为随着Al元素的增加，Y与Al的电负性差值（0.39）大于与Mg的电负性差值（0.09),Al-Y金属间化合物优先生成。

根据前面的分析可知能够生成更多的第二相Al2Y相和MgLi2Al相，在挤压作用下，形成更细小的第二相颗粒弥散分布在相界和晶界处，可以更加有效地阻碍晶粒长大，使得合金中的晶粒更为细小，从而合金的延伸率上升。当合金中Al元素加入至9%时，生成的第二相颗粒长大，较大的第二相颗粒容易引起应力集中，在力的作用下有利于裂纹的扩展，使得合金的延伸率急剧下降。

断口形貌分析

挤压态Mg-9Li-xAl-0.6Y合金在不同Al元素含量条件下的拉伸断口形貌，Al元素含量为0时的拉伸形貌，可以看到该合金中存在大量的韧窝，为明显的韧性断裂，与合金拉伸性能测试的高延伸率相吻合。可看出合金中的韧窝数量显著减少，同时出现少量撕裂棱。当Al元素含量为6%，合金中的韧窝数量有所增加，撕裂棱数量减少。当Al元素含量增加到9%，看到有较大颗粒的第二相颗粒，同时准解理面以及撕裂棱数量也随之增加，合金的塑性下降较快，这与前面得到的拉伸性能结果相符合。

结论

1）相比加入Al元素前，合金中α-Mg相数量增加，且随着Al元素的增加，合金中的α-Mg相数量增加的变化趋势是先变大后减小，而合金中的β-Li相数量有着与之相反的变化趋势。

2）随着Al元素含量增加，合金的抗拉强度也随之增加，当Al元素含量达到9%的条件下，抗拉强度达到最大值261MPa,Mg-9Li-xAl-0.6Y合金的综合性能最佳，其抗拉强度和延伸率分别为225MPa和21.2%。

3）随着Al元素含量的增加，拉伸断口形貌中韧窝数先减少后增加再减少。相比合金加入Al元素前，合金的延伸率降低。

关键词：