LZ91镁锂合金在不同冷却条件下经过多道次摩擦搅拌处理后的微观结构及其强化-韧化机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and strengthening-toughening mechanism of LZ91 magnesium-lithium alloy after multi-pass friction stir processing under different cooling conditions

多道摩擦搅拌加工在空气和液氮冷却条件下处理LZ91 Mg-Li合金板，优化参数为4500 rpm和200 mm/min时获得134 MPa强度和43.6%延伸率。微观结构显示两相显著细化，液氮冷却下析出物密度更高。机理包括晶粒细化、位错强化和MgLiZn析出强化，延展性提升源于α-Mg沿β-Li晶界分布及两相协同细化。

　　

严胤|马勋龙|朱碧武|刘晓|刘文辉|叶帆|任冠辉

兰州工业大学材料科学与工程学院，中国兰州730050

摘要

在空气冷却和液氮冷却条件下，对铸造态LZ91 Mg–Li合金板材进行了多道次摩擦搅拌加工（MFSP），获得了强度和延展性均得到提升的加工板材。在空气冷却条件下，最佳加工参数为4500 rpm和200 mm/min，其极限抗拉强度为134 MPa，伸长率为43.6%。在液氮冷却条件下，材料的力学性能对加工参数不敏感，表明加工窗口较宽。在两种冷却条件下，α-Mg相和β-Li相均发生显著破碎和细化，使得α-Mg相在β-Li相的晶界处均匀分布。在空气冷却条件下，随着焊接速度的增加，两种相的晶粒尺寸均减小；而在液氮冷却条件下，晶粒尺寸对焊接速度不敏感。位错主要分布在α-Mg相内，且空气冷却条件下的位错密度高于液氮冷却条件。MgLiZn沉淀物主要形成于β-Li相内，在液氮冷却条件下沉淀物密度更高。搅拌区（SZ）的强度归因于晶粒细化强化、α-Mg相的位错强化以及β-Li相的沉淀强化共同作用。延展性的提高则得益于沿β-Li晶界分布的细小α-Mg相以及两种相的破碎和细化，这些因素增强了材料的应变容纳能力。

引言

镁锂合金具有优异的比刚度和比强度，是最轻的结构金属材料，在航空航天和汽车工业等轻量化领域具有巨大应用潜力[1]、[2]。传统镁合金通常延展性较差，但添加锂后其塑性显著提高[3]。然而，镁锂合金在室温下的强度较低，限制了其广泛应用[4]。因此，亟需开发新的加工和强化技术来提升其整体力学性能[5]、[6]、[7]。

严重的塑性变形（SPD）工艺显著提高了镁合金的强度，该工艺可细化晶粒尺寸并改善力学性能。但SPD工艺流程复杂、样品尺寸有限且生产效率低，限制了其工业应用[8]、[9]。与其他加工技术相比，摩擦搅拌加工（FSP）是一种高效的固态加工技术，通过严重的塑性变形实现晶粒细化并提升力学性能[10]、[11]，具有操作简便和适用范围广等优点[12]、[13]。传统FSP主要用于单道次局部改性，受加工宽度限制，不适合大面积板材加工。多道次FSP（MFSP）通过重叠加工和重复机械处理实现大面积覆盖[14]、[15]，该方法可进一步细化晶粒、提高微观结构均匀性并增强力学性能[16]、[17]。张等人[18]使用50%的重叠比率通过MFSP制备了细晶AZ61合金板材，加工后的板材在加工方向（PD）和横向（TD）上的强度和伸长率均显著优于基材（BM）。胡等人[19]对LA103Z Mg–Li合金板材进行了非重叠MFSP处理，材料在PD方向的伸长率提高了109%。

然而，上述实验未考虑冷却介质对微观结构的影响。镁锂合金具有由α-Mg相和β-Li相组成的独特双相结构，其中β-Li相为体心立方结构，即使在低温下也具有多个滑移系，从而具备高延展性[20]、[21]。因此，镁锂合金能够在低温下承受变形而不会开裂，而传统的HCP镁合金由于滑移系有限则无法实现这一点。FSP过程中，冷却介质也会显著影响微观结构和力学性能。Sankar Ramaiyan等人[22]研究了空气、水和液氮等不同冷却介质对AZ31B镁合金FSP的影响，结果表明液氮冷却得到的晶粒更细小，力学性能更优。徐等人[23]使用液二氧化碳作为冷却介质对超轻Mg–14Li–1Al合金板材进行了FSW处理，冷却介质改善了热循环性能并抑制了晶粒粗化。强度和延展性的同时提高归因于位错、变形孪晶和堆垛错的共同作用。

本研究在不同冷却介质下对LZ91 Mg–Li合金进行了MFSP处理，旨在确定最佳加工参数，探讨微观结构演变机制，并阐明这些变化对力学性能的影响机制，为镁锂合金的微观结构控制和性能优化提供理论基础。

实验部分

实验材料

实验材料为铸造态LZ91 Mg–Li合金板材，尺寸为150 mm × 75 mm × 5 mm。金相组织如图1所示，白色区域代表α-Mg相，平均晶粒尺寸为54 μm；黄色区域代表β-Li相，平均晶粒尺寸为32 μm。FSP工具采用H13工具钢制成，具有10 mm的肩部和2.75 mm长的销钉，销钉具有三平头、锥形螺纹设计。

MFSP后的搅拌区微观结构

图4展示了在不同焊接速度下空气冷却条件下MFSP后搅拌区的微观结构。如图4所示，加工后搅拌区的微观结构得到显著细化。当焊接速度为100 mm/min时，β-Li相呈现等轴晶粒形态，平均晶粒尺寸为5.9 μm；α-Mg相发生破碎并细化，主要分布在β-Li相的晶界处，平均晶粒尺寸为5.7 μm。随着焊接速度的增加……

结论

通过MFSP处理铸造态LZ91 Mg–Li合金，获得了细晶镁锂合金板材。系统研究了不同冷却条件对微观结构演变的影响及其相应的强化和增韧机制。主要结论如下：

1)

在空气冷却和液氮冷却条件下对LZ91 Mg–Li合金进行了MFSP处理，其抗拉强度和延展性均得到提升。

作者贡献声明

严胤：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。马勋龙：撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据分析。刘晓：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、实验研究、数据分析。刘文辉：资源协调、项目管理。叶帆：监督、概念构思。任冠辉：方法学设计、实验研究、资金申请。朱碧武：方法学设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52471132, 52475356）和福建省杰出青年科学基金（2024J010031）的支持。同时，作者还感谢深圳市科技创新委员会（JSGG20210420091802007）和深圳市国家重点科技项目（CJGJZD20240729113704006）的财政支持。

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