粉末固结法制备镁锂合金：微观结构与腐蚀性能对比研究

引言

轻量化是当下交通、生物医学等领域材料发展的核心方向，镁合金凭借低密度、高比强度、优良阻尼与导热导电性能，成为极具潜力的轻质结构材料。但传统镁合金存在耐腐蚀性差、室温塑性不足、复杂构件成型困难等问题，制约了规模化应用。针对这一痛点，波兰研究团队以经典双相 Mg-7.5Li-3Al-Zn 镁锂合金为对象，结合超声制粉、激光粉末床熔融（LPBF）、脉冲等离子烧结（PPS）两大粉末固结工艺，对比分析不同制备工艺对合金微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响，为镁锂合金的新型制备与回收再利用提供了新思路。

正文

一、研究背景：传统工艺的局限与新技术探索

镁合金密排六方晶体结构导致独立滑移系少，常规铸造、挤压工艺难以加工复杂形制零件；同时合金易发生腐蚀失效。近些年，粉末冶金与增材制造成为镁合金改性、近净成形的主流技术，不仅能细化晶粒、调控物相，还可实现废旧合金回收再制造。

Mg-Li 系合金是轻量化镁合金的重要分支，锂元素可大幅改善合金塑性。本研究将 LPBF、PPS 两种粉末固结技术应用于再生 Mg-7.5Li-3Al-Zn 合金制备，重点探究工艺 - 微观组织 - 腐蚀性能的关联规律。

二、实验方案：材料制备与表征体系

1. 原料制备：传统挤压合金 + 【重点：超声雾化制粉技术】

研究选取传统铸造 + 挤压退火态 Mg-7.5Li-3Al-Zn 合金作为参比试样。针对挤压态合金开展超声雾化超微粉碎制粉：采用波兰 AMAZEET 公司 rePowder 设备，将合金原料在惰性气氛中以 150 K/min 速率升温至 1023 K 并保温 2 min；使用频率 40 kHz、振幅 15 μm 的 Ti6Al4V 超声变幅杆处理熔融合金，经 40 s 超声雾化后得到金属粉末。粉末经 100 μm 筛网筛分，最终用于后续固结成型。

检测证实，超声雾化过程未造成锂元素挥发、氧化损耗，粉末锂含量与原始合金基本一致，粉末颗粒呈球形、无团聚，为后续成型奠定了良好原料基础。

2. 两种粉末固结成型工艺

激光粉末床熔融（LPBF）：采用 1064 nm 连续波激光器，在惰性低氧环境、纯镁基板上打印试样；工艺参数：激光功率 15 W、扫描速度 80 mm/s、粉层厚度 25 μm。
脉冲等离子烧结（PPS）：真空环境下，350 ℃、50 MPa 压力条件下保温保压 5 min，完成粉末快速固结。

3. 性能表征手段

实验综合运用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、显微 X 射线断层扫描（MicroXCT）分析微观组织、物相、孔隙与析出相；通过维氏硬度测试评价力学性能；依托电化学测试、析氢法腐蚀测试，在 0.01 mol/L NaCl 溶液中系统评估合金耐蚀能力。

三、核心实验结果

1. 粉末粒度与物相组成

雾化粉末粒径分布集中，平均粒径 70 μm，D10=48 μm、D90=95 μm，粒径区间适配 LPBF 与 PPS 工艺要求。粉末主要由 α(Mg) 相、β(Li) 相及少量析出相构成；经不同工艺固结后，两相占比发生明显改变：

试样	α(Mg) 占比	β(Li) 占比	析出相占比
原始粉末	80%	19%	1%
LPBF 合金	58%	39%	3%
PPS 合金	85%	13%	2%

2. 微观组织与力学硬度

三种合金均为 α(Mg)+β(Li) 双相结构，但形貌、缺陷差异显著：

传统挤压合金：两相尺寸偏大，组织均匀，存在少量粗大 Al、Zn、Mn 富集析出相。
LPBF 合金：晶粒大幅细化，β(Li) 相弥散分布在 α(Mg) 基体中；内部存在大量闭孔，孔隙体积分数 3.51%，平均孔径 28.3 μm，同时材料内部形成高密度层错结构。
PPS 合金：晶粒同样细化，但保留明显未再结晶粉末颗粒界面，颗粒内部两相分布清晰。

晶粒细化与晶体缺陷直接提升硬度，硬度排序：LPBF 合金 (130 HV₀.₂) > PPS 合金 (114 HV₀.₂) > 挤压合金 (93 HV₀.₂)。此外，LPBF 与 PPS 合金中粗大金属间析出相的数量，远高于传统挤压合金。

3. 腐蚀性能：多方法联合验证

以 0.01 mol/L NaCl 溶液为腐蚀介质，结合开路电位、动电位极化、电化学阻抗、析氢法综合测试，得到一致规律：耐腐蚀性：传统挤压合金 > PPS 合金 > LPBF 合金。

电化学参数：挤压合金腐蚀电位最负、腐蚀电流密度最低，极化电阻达 297 Ω・cm²；LPBF 合金极化电阻仅 50 Ω・cm²，腐蚀活性最强。

析氢腐蚀速率：LPBF 合金腐蚀速率最高，PPS 合金次之，传统挤压合金腐蚀速率最低。

腐蚀形貌与机理

挤压合金：腐蚀以 α(Mg) 与 β(Li) 之间的微电偶腐蚀为主，腐蚀产物层致密。
LPBF 合金：内部孔隙是腐蚀核心诱因，孔隙内溶液交换受阻，发生自催化反应加速腐蚀，成为耐蚀性下降的主要原因。
PPS 合金：腐蚀优先沿未再结晶颗粒界面扩展，同时伴随双相微电偶腐蚀，界面缺陷大幅降低耐蚀能力。

四、机理分析与讨论

物相比例可调控：LPBF 冷却速率远高于 PPS，因此 β(Li) 相占比显著提升。两种粉末固结工艺均可灵活调控 α(Mg)/β(Li) 两相比例，这是优化镁锂合金性能的核心优势。

组织缺陷决定腐蚀行为：晶粒细化本身对耐蚀性有增益，但LPBF 的孔隙、PPS 的未再结晶界面两类缺陷成为腐蚀通道，抵消了细晶优势。若实现 LPBF 合金完全致密化、PPS 合金完全再结晶，两类工艺制备的合金耐蚀性有望超越传统挤压材料。

工艺适配性：LPBF 因快速凝固形成高密度层错，力学强化效果突出，适合制备高力学性能复杂构件；PPS 工艺成型效率高，但需优化烧结参数消除颗粒界面。

再生利用价值：本研究证实，通过超声雾化制粉 + 粉末固结，废旧挤压镁锂合金可实现回收再制造，拓宽了镁合金循环利用路径。

五、研究主要结论

采用超声雾化技术可高效将传统挤压 Mg-7.5Li-3Al-Zn 合金制成球形粉末，制备过程不会造成锂元素损耗，是镁合金资源化再利用的优质制粉手段。

LPBF 与 PPS 粉末固结工艺均可显著细化合金晶粒，灵活调控 α(Mg) 与 β(Li) 两相比例，合金显微硬度明显优于传统挤压合金。

缺陷是腐蚀性能的关键短板：LPBF 合金的内部孔隙、PPS 合金的未再结晶颗粒界面，会加速腐蚀发生，导致二者耐蚀性低于传统挤压合金。

粉末冶金法在细晶镁锂合金制备、废旧镁合金回收领域具备广阔应用前景；后续只需优化工艺参数，实现材料完全致密化与全再结晶，即可充分发挥粉末固结工艺的性能优势。

图文导读

材料成分	锂%(wt%)	锌%(wt.%)
Powder	7.4± 0.4	0.9± 0.2
LPBF	0.8 ± 0.1	7.5 ± 0.4
PPS	7.3 ± 0.4	0.9 ± 0.1

表1：通过原子吸收光谱法（AAS）测定的锂浓度（重量百分比）及通过电感耦合等离子体发射光谱法（EDX）测定的锌浓度（重量百分比）。

图1. Mg-7.5Li-3Al-Zn合金粉末的扫描电镜图像：a）粉末整体图像；b）单个颗粒图像；c）粉末微观结构；d）区域A的 EDX 分析结果；e）图b）局部放大图；f）粉末微观结构局部放大图。

图2. a）Mg-7.5Li-3Al-Zn粉末、b）PPS合金及c）LPBF 制备合金的 XRD 谱图。

	α(Mg)	β(Li)	沉积物粉末
Powder	80	19	1
LPBF	58	39	3
PPS	85	13	2

表2 根据 XRD 测量结果计算得出的粉末、PPS及 LPBF 合金的相对相组成（%）。

图 3. 使用激光散射粒度分布分析仪获得的功率谱密度（PSD）。

图4. a）挤压合金、b）LPBF 制备合金及c）PPS合金的SEM微观结构观察结果。

图5. 挤压成型、PPS及 LPBF 烧结合金的显微硬度分布曲线。

图6. 从所研究合金中获得的明场透射电子显微镜（TEM）图像：a)和b)为 LPBF 制备合金；c)和d)为PPS样品。

图7. 微观结构的平面图像及其对应的三维图像，显示了：a) 挤出成型的Mg-7.5Li-3Al-Zn合金；b) LPBF 制备的合金；c) PPS合金中孔隙的密度分布。

图8. LPBF 合金中的孔隙分布（孔隙体积分数=3.51%，平均孔径28.3μm，标准差=18.2μm，最大孔径=151.6μm）。

Mg-7.5Li-3Al-Zn	Ecorr (V/Ref)	icorr (mA/cm²)
Extruded	−1.46	0.2
LPBF	−1.34	0.5
PPS	−1.36	0.5

表3 基于在0.01 M氯化钠溶液中记录的电位动态极化测试结果，采用塔菲尔法推算出的电化学参数。

Mg-7.5Li-3Al-Zn	Extruded	LPBF	PPS
Corrosion rate [g/(m2day)]	2.3 × 10³	3.7 × 10⁴	2.5 × 10⁴
St. deviation	6 × 10³	2 × 10³	8 × 10³

表4 基于氢析出法计算的腐蚀速率。

图9. 在自然曝气的0.01 M氯化钠溶液中进行电化学测量所得结果：a) 1小时内Ecorr评估值；b) 势动力学极化曲线。

图10. 在自然曝气的0.01 M氯化钠溶液中进行的EIS测量结果：a) 尼奎斯特图；b) 用于数据拟合的EEC曲线。

Mg-7.5Li-3Al-Zn	Rs (Ω cm²)	Rct (Ω cm²)	CPEct (μF ·cm⁻²)	n1	L (H·cm²)	RL (Ω cm²)
Extruded	25	550	100	0.85	1000	650
LPBF	126	63	450	0.70	1000	250
PPS	116	94	450	0.55	777	188