镁科研：锂含量对二元HCP结构Mg-Li合金力学与腐蚀行为的影响

论文概述

锂元素的添加可以显著改善镁合金的塑性，作为最轻的结构用金属材料，镁锂合金在航空航天和电子产品等领域有着广泛的应用前景。镁锂合金的晶体结构随着锂含量变化而变化：密排六方结构（HCP，Li＜5.5 wt.%）→密排六方结构+体心立方结构（HCP+BCC，5.5 wt.%＜Li＜10.3 wt.%）→体心立方结构（BCC，Li＞10.3 wt.%）。然而，镁锂合金的绝对强度和耐蚀性较差，这严重影响其广泛应用。通常，挤压、轧制和锻造等变形手段可以改善传统镁合金的微观组织和力学性能，但组织中也常表现出强烈的基面织构，从而引起镁合金的力学性能各向异性。锂的加入可以降低镁合金的c/a轴比，促进非基面滑移，提高延伸率并同时弱化基面织构，但是二元镁锂合金织构与力学性能各向异性研究报道较少。另外，近年来有学者报道体心立方结构的镁锂合金在氯化钠溶液中表现出较好的耐蚀性，这主要是由于在其表面形成了含有碳酸锂物质的致密保护膜。作者前期研究发现二元BCC结构镁锂合金表面也能形成具有较好保护性的膜层，并与锂含量有密切关系。但关于锂含量对单一基体相结构的镁锂合金腐蚀行为的影响鲜有报道。

最近，广东工业大学材料与能源学院李传强老师在其前期研究的基础上，系统研究了二元HCP结构镁锂合金的微观组织与力学/腐蚀行为的关系，探明了锂含量对二元HCP结构镁锂合金微观组织、力学性能各向异性和腐蚀行为的影响规律。随着锂含量的增加，镁锂合金的晶粒尺寸减小，再结晶比例降低。织构分析结果表明，挤压态Mg-1Li表现出45°方向的（0001）基面织构，随着锂含量的增加，逐渐转变为Mg-3Li和Mg-5Li合金的柱面织构，如图1所示。拉伸曲线表明Mg-1Li合金的力学各向异性较弱，这主要是由于其45°方向的（0001）基面织构，即Mg-1Li合金沿平行于和垂直于挤压方向的基面滑移开动所满足的施密特因子（Schmidt factor，SF）是相近的；随着锂含量增加至3 wt.% 和5 wt.%，Mg-3Li和Mg-5Li合金表现出明显的力学性能各向异性，如图2所示，这主要是由于两种合金中（11-20）和（10-10）柱面织构效应。

图1 挤压态二元镁锂合金的EBSD极图

图2 挤压态二元镁锂合金的室温拉伸曲线

三种镁锂合金在0.1 M/L的氯化钠溶液中的失重速率如图3所示，可见，随着锂含量的增加，失重率有所下降，即耐蚀性提高。三种合金均表现出丝状腐蚀特征，在不同腐蚀时间的三维腐蚀形貌如图4所示，随着腐蚀时间的延长，腐蚀深度均逐步增加；在同一腐蚀时间时，随着锂含量的增加，腐蚀坑深度均有所减小，这与失重实验结果一致。可见，虽然三种合金的耐蚀性均较差，但锂含量的增加在一定程度上可以改善二元HCP结构镁锂合金的耐蚀性。最后，作者对三种不同镁锂合金浸泡 2h后的表面进行XPS分析，发现随着锂含量的增加，表面膜中的碳酸锂含量增多。因此，虽然二元HCP结构镁锂合金在腐蚀过程中不能形成像BCC结构镁锂合金那样的有效保护膜层，但其膜层中的碳酸锂可以一定程度上提高合金耐蚀性。另外，作者还讨论了合金中晶粒尺寸和晶体取向的改变对耐蚀性的影响。

图3 挤压态二元镁锂合金在0.1 M/L NaCl溶液中的失重率

图4 挤压态二元镁锂合金在0.1 M/L NaCl溶液中的腐蚀形貌

文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2021年第9卷第2期：

[1] Chuanqiang Li, Yibin He, Huaipei Huang, Effect of lithium content on the mechanical and corrosion behaviors of HCP binary Mg–Li alloys[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9(2):569-580.

中文摘要

本文系统研究了挤压态HCP结构Mg-xLi（x=1、3、5，wt.%）合金的微观组织、织构、力学性能和耐蚀性能。结果表明，与Mg-1Li和Mg-3Li合金相比，含有更多锂元素的Mg-5Li合金表现出较弱的动态再结晶现象；Mg-1Li合金45°方向的（0001）织构转变为Mg-3Li和Mg-5Li合金的（11-20）和（10-10）柱面织构，即后者晶粒的c轴近似平行于挤压板材的横向（TD）方向。因此，（11-20）和（10-10）柱面织构导致了Mg-3Li和Mg-5Li合金表现出明显的力学各向异性，即沿挤压方向（ED）的力学强度较高，而延伸率较低；沿TD方向则反之。关于腐蚀行为，三种合金均表现出丝状腐蚀，但锂含量的增加可以减缓丝状腐蚀，提高合金耐蚀性，即Mg-5Li的耐蚀性最高，这主要是由于其晶粒细化、柱面织构和表面膜等。

Abstract

The microstructure, crystallographic texture, mechanical properties and corrosion resistance of as-extruded HCP Mg-xLi (x = 1, 3, 5; in wt%) alloys were investigated. The results indicated that the HCP Mg-5Li alloy with high lithium content exhibited a low degree of dynamic recrystallization (DRX) compared with Mg-1Li and Mg-3Li alloys. Besides, the 45° base (0001) texture of Mg-1Li alloy could turn into (11–20) and (10–10) prismatic texture of Mg-3Li and Mg-5Li alloys with c-axis approximately parallel to transverse direction (TD). As a result, the strong prismatic texture resulted in the mechanical anisotropy of as-extruded Mg-3Li and Mg-5Li alloys with higher mechanical strength and low elongation along extrusion direction (ED) (reverse for TD sample). Regarding of corrosion behaviors, filiform corrosion occurred in the three Mg–Li alloys, whilst the high lithium content could mitigate the groove-like corrosion and improve the corrosion resistance of Mg-5Li alloy, which was ascribed to the refined grains, prismatic texture and surface film.

作者简介

李传强（第一作者/通讯作者），男，广东工业大学“青年百人A层次”，材料与能源学院讲师、硕士生导师、优秀青年人才。主要从事先进轻质镁合金的微观组织、力学性能和腐蚀性能等方面研究。主持国家自然科学青年基金1项、广东省自然科学基金面上项目1项和广州市科技计划项目1项，发表学术论文20余篇。