編輯推薦：具有體心立方結(jié)構(gòu)的Mg-Li-Al合金可以表現(xiàn)出優(yōu)異的比強(qiáng)度，并具有出色的延展性和耐腐蝕性。通常，由于發(fā)生各種相變，合金強(qiáng)度對(duì)加工溫度非常敏感。文章確定了在非等溫時(shí)效過程中富al區(qū) → θ (D03 Mg3Al) → AlLi的相變順序。發(fā)現(xiàn)由旋點(diǎn)分解產(chǎn)生的編織結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)峰值強(qiáng)度的優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)。θ與基體界面處的納米晶α-Mg相被確定為合金軟化的主要原因。對(duì)θ→AlLi變換的核殼模型進(jìn)行了觀察和驗(yàn)證。這些發(fā)現(xiàn)加深了對(duì)BCC Mg-Li-Al合金的理解，并為開發(fā)具有更高強(qiáng)度和更好穩(wěn)定性的新一代超輕合金開辟了道路。

鎂(Mg)合金作為結(jié)構(gòu)合金中最輕的一種，具有潛在的高比強(qiáng)度，在汽車、航空航天、電子、體育和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)部件輕量化的需求日益增加，引起了廣泛的關(guān)注。據(jù)報(bào)道，一種名為L(zhǎng)A113的BCC Mg-Li-Al合金表現(xiàn)出色的性能組合。與其他鎂合金不同，LA113合金中的強(qiáng)化（硬化）在從高于350°C的固溶處理溫度進(jìn)行水淬火后幾乎立即達(dá)到峰值。

這項(xiàng)工作中，新南威爾士大學(xué)、南京理工大學(xué)、瑞典林雪平大學(xué)、南方科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)、太原科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位的研究人員通過間斷加熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)合同步XRD和其他關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)和理論技術(shù)，研究了BCC結(jié)構(gòu)Mg-Li-Al合金(LA113)在淬火組織分解過程中的各種相變及其機(jī)制，以及這些相變?nèi)绾斡绊懥W(xué)行為。該研究揭示了合金中完整的相變序列，為相變機(jī)制提供了形態(tài)學(xué)證據(jù)，為理解其他BCC Mg-Li-X合金的相變過程提供了基礎(chǔ)，也為開發(fā)具有良好性能和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的新一代超輕合金提供了科學(xué)依據(jù)。相關(guān)論文以題“Phase transformations in an ultralight BCC Mg alloy during anisothermal ageing”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118248

圖1 在125 °C到400 °C淬火合金的原位WAXS光譜

圖2 硬度和顯微組織隨時(shí)效溫度的變化規(guī)律

在從θ相到核殼AlLi相的轉(zhuǎn)變過程中，硬度逐漸增加。然而，AlLi的形成導(dǎo)致沉淀物的數(shù)量密度進(jìn)一步降低。此外，AlLi不會(huì)產(chǎn)生連貫性增強(qiáng)。從175℃~300℃的WAXS數(shù)據(jù)可以看出，θ相的峰遠(yuǎn)高于AlLi相，這意味著該區(qū)間的相變主要是由于θ相的重溶。θ相的再溶解會(huì)向基體中釋放更多的Al原子，這些原子是旋點(diǎn)分解的必要成分。因此，該溫度區(qū)的硬度增加也是由于再淬火過程中的調(diào)幅分解所致。

圖3 AlLi相的TEM研究和EDS圖

圖4 Mg3Al轉(zhuǎn)化為AlLi的偽包晶反應(yīng)的圖解

AlLi通過從基體θ和Li中吸收Al在θ/β界面上成核。同時(shí)，更多的Al在θ相中被Mg原子取代，當(dāng)邊界達(dá)到臨界濃度(Mg: 70 at.%)時(shí)，這部分θ相中最終轉(zhuǎn)化為HCP (α) Mg。核殼模型類似于經(jīng)典的包晶反應(yīng)，導(dǎo)致θ到AlLi的轉(zhuǎn)變可以被認(rèn)為是一個(gè)偽包晶反應(yīng)θ + Li(固溶體原子) → AlLi + Mg。θ的強(qiáng)化作用強(qiáng)于AlLi，但AlLi合金的延性更強(qiáng)，因此確定θ → AlLi相變對(duì)Mg-Li-Al合金強(qiáng)度和延性的平衡具有重要意義。

圖4 模擬Mg3Al向AlLi的相變過程

圖4(a)是中溫275 ℃時(shí)效過程中θ向AlLi的演化過程。低溫時(shí)效析出相呈球形，晶粒尺寸比棒狀富鋁區(qū)大70~130 nm。當(dāng)t < 180時(shí)，大部分顆粒為θ相。在t = 180處，可以看到AlLi開始形成一個(gè)富鎂的中心區(qū)域。之后，更多的θ轉(zhuǎn)變?yōu)锳lLi，粒子間的間距越來(lái)越大。AlLi相的三維形貌顯示了更清晰的核殼結(jié)構(gòu)，通過與AlLi相交叉的組成分析證實(shí)了AlLi形成于θ相與β-基體的界面，將部分Mg排斥到中心，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合。

總的來(lái)說，本文研究了體心立方(BCC) (wt.%) Mg-11Li-3Al三元合金在380 ℃的初始固溶處理和水淬后的相變順序，然后連續(xù)加熱到不同溫度并重新淬火。確定的相變及其順序?yàn)? BCC β相固溶體 → 富鋁團(tuán)簇(由于旋點(diǎn)分解)(低T) → Mg3Al (θ)(中T) → AlLi(高T)。隨著時(shí)效溫度的升高，合金的室溫硬度明顯降低，但在時(shí)效溫度以上，由于富鋁團(tuán)簇的溶解和再析出導(dǎo)致θ析出，硬度再次升高。計(jì)算得到的θ相形成活化能較低，為77.3 kJmol 1，這是室溫下富鋁旋節(jié)團(tuán)簇不能形成該相的熱力學(xué)原因。在中溫條件下，富鋁團(tuán)簇作為θ相的成核位點(diǎn)，使得θ相的成核速率非常高，該相的生長(zhǎng)是轉(zhuǎn)變過程中的成核速率控制過程。在θ相和BCC β基體界面析出大量六邊形緊密堆積的納米Mg顆粒，導(dǎo)致共格性損失，是導(dǎo)致硬度損失的主要原因。TEM結(jié)果與計(jì)算和模擬結(jié)果相結(jié)合表明，θ相向AlLi相的轉(zhuǎn)變發(fā)生在原位，可能是通過偽包晶反應(yīng)發(fā)生的。