Nature子刊同时实现超高强韧抗时效软化的超轻合金

　　镁锂（Mg-Li）合金凭借其极低的密度（通常小于1.5 g/cm3）成为一种极有潜力的高比强度结构材料。但Mg-Li合金的组织结构与理化学特性决定其几乎无法同时实现 <强韧性-耐腐蚀-抗时效软化> 的同步大幅提升。
　　在此，来自澳大利亚国立大学的曾卓然，清华大学的周梦然等研究者，使用一种同时具备局部大塑性变形+原位淬火的原位淬火搅拌摩擦加工（IQ-FSP）法，在双相Mg-Li-Al合金中调控出具有超细晶两相均匀混合与高密度共格析出物的特殊组织，使材料同时实现了 <超高比强韧-超耐腐蚀-抗时效软化> 的优异性能。相关论文以题为＂Corrosion resistant and high-strength dual-phase Mg-Li-Al-Zn alloy by friction stir processing＂发表在Nature子刊《Communications Materials》上。
　　论文链接：
　　https://www.nature.com/articles/s43246-022-00245-3
　　镁合金凭借其极低的密度（仅为钢的25%，铝的65%）成为当前运输行业轻量化的首选材料。但是＂成形性差＂与＂降解速度过快＂是当前制约其应用拓展的首要瓶颈问题。
　　Li元素添加的Mg-Li合金具有更佳的变形能力，但代价是强度较低。通过在Mg-Li合金中添加Al元素，并进行固溶淬火处理，可以得到抗拉强度>400 MPa的高强Mg-Li合金，但是伴随的通常是小于3%的极差延伸率。此外，固溶处理所获得的高强度还会因为极快的自然时效软化在3-6个月内丧失殆尽。同时，双相Mg-Li合金的电偶效应，使其腐蚀速度4-6倍快于常见的商用Mg合金AZ31，实际应用价值大打折扣。
　　综上，目前为止Mg-Li合金在<强韧性>，<耐腐蚀>，<时效软化>三个主要指标上只能进行牺牲和取舍，同时实现Mg-Li合金材料的<超高强韧性-超耐腐蚀-抗时效软化>一直是学术界面临的一个极其艰难的挑战。
　　在此，研究者提出了一个同时解决上述三个问题的方法，即通过在以往认为不可能实现耐腐蚀的双相Mg-Li合金LZ91中加入一定量的Al元素，再通过全新的原位淬火搅拌摩擦加工（IQ-FSP）法同时实现了以往认为不可能的 <超细晶>+<两相均匀等轴混合>+<高密度纳米析出相>特异组织。均匀分布的高密度D03-Mg3Al析出物赋予了材料高达209 kNm/kg的极高比强度；等轴细晶的α+β两相分布平衡了局部应力分布使得材料拉伸率接近20%；致密共格析出物腐蚀过程中形成的致密钝化膜赋予材料低至0.72 mg/cm2*day的腐蚀速率；两相细晶均衡混合阻碍了析出物粗大使得自然时效软化速率降低1000倍以上。至此，这个困扰了超轻合金研究了领域近70年的问题拥有了一条全新的解决通道，为进一步开发具有优异综合力学/腐蚀的金属材料提供了新的途径与思路。
　　图1 IQ-FSP制备Mg-Li-Al合金的电化学腐蚀特性
　　图2 IQ-FSP制备Mg-Li-Al合金与母材的腐蚀行为对比
　　图3 不同处理状态下Mg-Li-Al合金的力学行为，力学特性与时效过程
　　图4 Mg-Li-Al合金材料各加工状态下自然时效的原位XRD解析
　　图5 IQ-FSP处理Mg-Li-Al合金自然时效过程中析出物的透射电镜观测结果
　　综上所述，研究者展示了一种反直觉的赋予Mg-Li合金优异性能的方法。该方法使得材料同时实现了超高的强韧性平衡，超低的腐蚀速率的同时，克服了以往研究中最难以克服的自然时效软化的问题。这样的优异性能得益于IQ-FSP特殊的＂变形场＂+＂热场＂耦合，创造出了均衡细晶等轴双相组织与致密共格的纳米析出相，在实现强韧化耐腐蚀的基础上，抑制了纳米强化相D03-Mg3Al向粗大的AlLi相转变的过程，使得材料强度与耐腐蚀特性能够在长达2年的自然时效中得以保证。
　　这样独特的材料组织特性与加工方式的耦合选择策略适用于多种材料，包括更多借由固溶析出强化的多相合金，并为开发具有更高比强度耐腐蚀的轻合金材料提供基础。
　　研究者介绍：
　　曾卓然，澳大利亚国立大学研究员。2011年与2016年获得莫纳什大学的一等荣誉学士学位和博士学位。2016-2019年于莫纳什大学任助理讲师。研究专注于高性能镁合金的开发。他在相关领域Q1期刊上发表了30篇论文，包括《NatureCommunication》和《Acta Materialia》，h指数为16，总引用量>1000。主持并参与了澳大利亚的多个研究项目，拥有多项国际专利。兼任Acta Materialia，IJP等重要期刊的审稿人。
　　周梦然，清华大学机械系材料成型所博士后研究员。2017年于2020年获得日本大阪大学材料系硕士与博士学位。2020年至今任清华大学机械系材料成形制造研究所博士后研究员，将于2022年7月入职清华大学机械系，任职助理研究员。研究领域集中在利用搅拌摩擦焊接/加工改善镁合金力学/耐腐蚀性能，镁合金成分/组织/性能调控方法与机理研究。在相关领域Q1期刊上发表14篇论文，包括《ActaMaterialia》和《J Mag Alloy》等。获得过日本焊接学会优秀研究奖，兼任多个期刊审稿人。
　　*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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