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近日，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心吳國華教授團(tuán)隊(duì)在鎂鋰合金時(shí)效機(jī)制方面取得重要研究進(jìn)展，研究成果以“Origin of the age-hardening and age-softening response in Mg-Li-Zn based alloys”為題，發(fā)表在國際金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Acta Materialia》上 (原文鏈接為 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000593)，該論文也是《Acta Materialia》上發(fā)表的第一篇關(guān)于鎂鋰合金時(shí)效機(jī)制的論文。冀浩博士為該文第一作者，吳國華教授和劉文才副研究員為該文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和裝備預(yù)研航天科技聯(lián)合基金等項(xiàng)目資助。

鎂鋰合金具有低密度、高的比剛度和比強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽和減震性能等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航空航天和電子等領(lǐng)域，作為結(jié)構(gòu)/功能件取代部分鋁合金和普通鎂合金，起到進(jìn)一步結(jié)構(gòu)減重的作用。不過，受限于鎂鋰合金時(shí)效軟化等瓶頸問題，目前鎂鋰合金的應(yīng)用仍十分有限。Mg-Li-Zn基合金是近年來開發(fā)的具有較好綜合力學(xué)性能和應(yīng)用前景的鎂鋰合金體系。但目前對(duì)于Mg-Li-Zn基合金析出相結(jié)構(gòu)的表征、時(shí)效過程中的相轉(zhuǎn)變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能的影響尚不清晰。因此，深入研究 Mg-Li-Zn基合金的時(shí)效析出行為，揭示其時(shí)效硬化和軟化微觀機(jī)制，可以為高性能鎂鋰合金的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

在該研究中，吳國華教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了不同狀態(tài) Mg-10Li(-Zn)(-Er)合金的時(shí)效行為，借助原子分辨率HAADF-STEM技術(shù)等多種表征手段和第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了Mg-10Li-5Zn合金時(shí)效硬化和軟化主要與(Mg, Li)3Zn相演變有關(guān)，構(gòu)建了(Mg, Li)3Zn相的晶體結(jié)構(gòu)模型并探明了其在時(shí)效過程中形貌和成分的演變規(guī)律，提出了Mg-Li-Zn 基合金中基于(Mg, Li)3Zn相轉(zhuǎn)變的新型時(shí)效機(jī)制，發(fā)現(xiàn)Er元素添加可以阻礙低溫時(shí)效時(shí)(Mg, Li)3Zn相演變從而提高了Mg-Li-Zn基合金的低溫時(shí)效穩(wěn)定性。該研究提出的Mg-Li-Zn基合金中基于(Mg, Li)3Zn相轉(zhuǎn)變的新型時(shí)效機(jī)制為深入分析鎂鋰合金的時(shí)效行為和熱穩(wěn)定鎂鋰合金設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

近年來，在丁文江院士的大力支持下，吳國華教授團(tuán)隊(duì)在鎂鋰合金材料開發(fā)和強(qiáng)韌化機(jī)理方面取得了一系列研究成果，成功開發(fā)了Mg-Li-Zn-Er和Mg-Li-Al-Zn-Y兩個(gè)系列的鎂鋰合金材料，深入研究了其加工工藝、強(qiáng)韌化和時(shí)效機(jī)制，有望在航空航天和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，顯著節(jié)約能源，為助力實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提供有力支撐。

圖1 淬火態(tài)和不同時(shí)效態(tài)Mg-10Li-(Zn)(-Er)合金的室溫拉伸性能：(a-c) 淬火態(tài)和50 ℃時(shí)效不同時(shí)間;(d) 150 ℃時(shí)效16 h

圖2 析出相分析：(a) 入射電子束沿[100]軸的析出相HAADF-STEM像;(b) 圖a中沿A線和B線的強(qiáng)度分布情況;(c) (Mg, Li)3Zn相單胞及其沿[100]、[110]和[111]軸的晶體結(jié)構(gòu)模型圖;(d) 入射電子束沿[110]軸的析出相HAADF-STEM像;(e) 圖d中沿C線的強(qiáng)度分布情況

圖3 (Mg, Li)3Zn相在時(shí)效過程中的形貌和成分演變示意圖