镁锂合金被称为超轻合金，密度在1.35~1.65g/cm3之间，是目前工程应用中最轻的金属结构材料。该合金具有比强度和比刚度高、冷热变形能力强、各向异性不明显等特性，同时还具有良好的电磁屏蔽性能以及阻尼性能等诸多优点，因此是航空航天、电子和军事等领域理想的轻质结构材料，具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。然而较低的绝对强度严重限制了镁锂合金在工业中的进一步发展和应用。目前为止，国内外的学者对于镁锂合金的探索主要集中在制备方法、合金化、热处理以及变形加工处理对其结构及性能的影响，但是镁锂合金的绝对强度仍基本局限在250MPa左右。在前人研究的基础上，仍需要进一步探索，研制出性能更加优异的镁锂合金。

旋锻作为一种加工轴类、管类零件的自由成形方法，具有加工范围广、加工精度高、产品性能好、材料利用率高和生产灵活性大等特点。旋锻过程中，4块锻模环绕坯料轴线高速旋转的同时对坯料进行高频锻打，从而使坯料轴截面尺寸减小或形状改变，继而提高其性能。近10 来年，旋锻技术得到不断改善，被用来制备多层管状复合材料和有色金属材料，例如铝合金或者铜合金，也被用来加工镁合金这类难以室温加工的材料。因此本研究利用低成本旋锻技术在室温下对镁锂合金进行塑性变形，目的在于获得大块高强镁锂合金，同时对变形机制进行深入系统的研究和揭示。

南京理工大学的研究人员通过应变量仅为0.32的旋锻变形，成功地制备了一种具有新的强度记录的超轻大块高强镁锂合金，其室温抗拉强度可达到405MPa。相关论文以题为“Achieving ultra-strong Magnesium–lithium alloys by low-strain rotary swaging”发表在Materials Research Letters上。

论文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1891150

本文采用直径为20.2mm的Mg-4Li-3Al-3Zn合金样品，通过多道次小应变的室温旋锻技术，将直径减少至17.2mm，等效应变量为0.32。研究表明旋锻技术在Mg-4Li-3Al-3Zn内部引入了高密度的孪晶和纳米层错，从而获得了室温抗拉强度超过400MP的超高强度超轻镁锂合金，为目前镁锂合金体系中的最高强度，具有明显的优势。同时利用旋锻工艺的高应变速率以及三向应力等特征，形成更好的金属流线，避免了孪晶界处的应力集中和裂纹的产生，从而制备了大块高强镁锂合金，为镁锂合金工业化的生产和应用提供了新的方向和可能性。

图1 旋锻工艺示意图及旋锻样品微观组织与力学性能对比图

图2 (HR)TEM揭示了孪晶和纳米层错强化机制

研究发现，小应变旋锻在Mg-4Li-3Al-3Zn内部引入的高密度孪晶分别包括拉伸孪晶以及压缩孪晶，另外如图2（c）中所示还存在一种由多次孪晶产生的特殊层状结构。变形初期，大量的一次孪生从晶界平行发射，形成狭长的孪晶带，同时孪生过程中孪生尖端会产生局部应力集中，使得大量的多次孪生被激活。另外孪晶内部也存在大量从晶界发射形成的纳米层错，层错类型包括生长层错I1型及变形层错I2型。GPA分析生动展示了纳米层错可以强烈地阻碍位错的滑移，带来强化效果。因此除了孪晶强化以外，高密度的纳米间距堆垛层错也是主要的强化机制之一。

本研究首次对镁锂合金进行旋锻变形观察，并且成功制备了具有新的强度记录的大块超轻高强镁锂合金。与其他剧烈塑性变形工艺相比，旋锻工艺在小应变变形的条件下即在大块镁锂合金中引入高密度的孪晶和纳米层错，有效了阻止位错的运动和保持了应变硬化，这主要与RS过程中的高应变速率以及不断变化的应力状态有关。上述成果为高强镁锂合金工业化的生产和应用提供了新的方向和可能性。