具有梯度组织特征的超轻双相Mg-Li合金变形协调行为研究

Mg-Li alloys, as the lightest known metallic structural materials, have been attracted more and more attentions in the fields of aerospace, spaceflight and weapon industry, etc. Duplex Mg-Li alloys possessing good comprehensive mechanical properties, are the research focus at present. In duplex Mg-Li alloys, the difference of strength and ductility between the two phases tends to lead to inharmonic plastic deformation. However there are few reports on the plastic deformation mechanism of duplex Mg-Li alloys at present and several important scientific problems need a systematical investigation. Thus, the microstructure heredity behavior, deformation coordination behavior and the influence of gradient microstructure on the macro-mechanical properties of duplex Mg-Li alloys with gradient microstructure prepared by centrifugal casting are systematically investigated combing the usage of many advanced microstructure characterization methods, quasi in-situ tensile test and numerical simulation method. The aim of this project involves disclosing the microstructure heredity mechanism, finding out the deformation coordination mechanism and revealing the influence of the gradient microstructure on the mechanical properties of Mg-Li alloys. The results from this project contributes to the development of deformation theory for superlight duplex Mg-Li alloys, which can be used to tailor microstructure, deformation and mechanical properties of Mg-Li alloys.

镁锂合金是目前最轻的金属结构材料，在航空航天以及兵器工业等领域备受关注。双相Mg-Li合金具有较好的综合力学性能，是目前的研究热点。双相Mg-Li合金中，由于两相强度与塑性差异，易导致塑性变形不协调，但是目前关于双相Mg-Li合金变形机制研究较少，与其有关的多个关键科学问题尚需系统研究。本申请以离心铸造制备的具有梯度组织特征的双相Mg-Li合金为研究对象，综合利用多种先进的微观结构分析手段、准原位拉伸试验方法和数值模拟技术，系统研究具有梯度组织特征的双相Mg-Li合金变形过程中的组织遗传行为、变形协调行为和梯度组织对合金的力学性能的影响规律，揭示其组织遗传机制，探明其变形协调机制，揭示梯度组织对合金宏观力学性能的影响规律。通过本项目研究，可丰富和发展超轻双相Mg-Li系合金的协调变形理论，为合金的组织调控、塑性变形和性能优化提供重要的理论指导。

Mg-Li 系合金是目前最轻的金属结构材料，具有超高的比强度和良好的成形性能，被誉为未来最“绿色环保”的革命性材料，加强Mg-Li系列合金的研发对我国航空航天、军用装备以及汽车等领域的轻量化具有重要意义。双相Mg-Li合金具有较好的综合力学性能，是目前的研究热点。然而现有双相Mg-Li合金变形过程中双相基体的组织演变规律不清楚，双相组织的调控机制不明确，严重制约了该系合金的研发与应用。本项目以双相Mg-Li合金为研究对象，系统研究了该系合金在不同变形工艺中的组织演变行为，探讨了α-Mg与β-Li双相基体在不同的变形工艺中的组织演变规律，构建了双相基体组织调控工艺模型。项目研究中，一方面通过优化离心铸造工艺，制备出具有梯度组织特征的双相Mg-Li合金，采用冷轧工艺、沿微观组织的梯度方向对合金试样进行轧制变形，结果表明：两相结构匹配对合金的宏观力学性能具有重要影响，在离心铸态双相Mg-Li合金中，合金的梯度组织特征导致合金的力学性能呈现梯度分布，合金的强度随α-Mg相的增加而增加，合金的塑性随β-Li相的增加而增加。冷轧变形后，合金的组织仍然呈现一定的梯度特征，合金组织存在一定的组织遗传行为，但微观组织的均匀性得到显著改善，合金的力学性能亦更加均匀。另一方面通过设计并采用传统制备方法制备了新型双相Mg-Li-Al-Sr、Mg-Li-Al-Sn、Mg-Li-Al-Ca和Mg-Li-Mn系合金，采用热挤压工艺对合金进行挤压变形，系统探讨了双相Mg-Li系合金在热挤压过程中的组织演变规律，构建了合金的化学成分、变形工艺与微观组织和力学性能之间的关联模型，获得了双相Mg-Li合金组织与性能调控准则。通过对合金成分和变形工艺的精准调控，实现了双相Mg-Li系合金中双相基体的高质量调控，成功研发出抗拉强度达到320MPa的高性能双相Mg-Li合金。通过本项目的研究，丰富和发展了双相Mg-Li合金变形理论体系，开发了两种抗拉强度超过300MPa的超轻高性能双相Mg-Li合金，为该系合金组织与性能调控以及后续的工程化应用提供重要技术支撑。