CN107723545A

CN107723545A - 一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107723545A
Application number: CN201710990675.9A
Authority: CN
Inventors: 葛大梁; 朱权; 乔培玉; 杨会齐; 龚斌; 吴国清
Original assignee: JIANGSU LIMEI AVIATION MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: JIANGSU LIMEI AVIATION MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-02-23

Abstract

本发明提供了一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，这种镁锂合金的组分及其质量百分比为：11~15%Li，0.5~4%Al，0.05~0.5%Zr，0.2~1.2%La，0.1~0.6%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。本发明所涉及镁锂合金制备方法为：真空感应熔炼和塑性变形处理。本发明通过合金化，晶粒细化，变形处理手段处理的镁锂合金在保证低密度的前提下，具有较高的强度和塑性，同时机械加工性能优秀。

Description

一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，特别涉及一种真空感应无溶剂低密度高强度镁锂合金及其制备方法。

背景技术

随着现代科技对设备轻量化及节能减排的追求愈加迫切，新型低密度、高强度材料的开发也越来越受到研发人员的关注，历史已经证明，材料是人类社会发展的物质基础和先导，而新材料则是人类社会进步的里程碑。而镁锂合金作为目前已知理论上最轻的结构材料，近年来成为国内外研究的焦点。镁锂合金不仅具有较高的比刚度、比强度，还有良好的切削加工性能，并且在抗电磁干扰、减震等方面也有着优秀的表现，所以在航空航天、军工和电子产品等领域有着较好的应用潜力。

镁锂合金的密度一般为1.35~1.65g/cm3，随着材料中锂含量的变化，不仅密度有所不同，合金的组织结构也会发生转变。在材料中锂含量低于5.7%时，以镁为基进行固溶，合金内部组织结构为α相，呈密排六方(hcp)晶体结构，这种结构强度较高，但是变形能力差，加工困难。随着锂含量的增加，合金结构由密排六方(hcp)转变为密排六方(hcp)和体心立方(bcc)共同存在，这时材料的变形能力得到了一定的改善。当材料中锂含量高于10.3%时，合金结构完全转变为体心立方(bcc)结构，这种结构拥有优良的变形能力，材料塑性显著提高，加工性能得到了较大的改善，不过同时材料的力学强度有所下降。

目前提高镁锂合金性能的主要方法有，控制锂含量在5.7%~10.3%中间，除Li元素以外其他合金元素百分含量在3%以上，这样可以形成双相共存镁锂合金，同时3%以上合金元素的添加可以大幅度提高合金力学性能，但合金这样的组元及配比势必造成镁锂合金密度在1.5 g/cm3以上，这样就大大的缩小了普通镁合金与镁锂合金在密度上的优势，造成了镁锂合金在应用上的困难。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，在保证镁锂合金低密度优势的条件下，通过合金化，变形处理提高合金的强度。所述方法制备的镁锂合金，具有晶粒组织细小均匀，较高的强度、塑性等优势，有利于推动后续工业应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低密度高强度镁锂合金，合金组分及其质量百分比为11~15%Li，0.5~4%Al，0.05~0.5%Zr，0.2~1.2%La，0.1~0.6%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。

本发明提供了上述镁锂合金的制备方法，所述制备方法分为真空感应熔炼和塑性变形处理工艺；所述真空感应熔炼包括以下步骤：

（1）按照所述镁锂合金组分及其质量百分比称取一定质量的纯镁、纯锂、纯铝、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金，将纯镁、纯铝、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金在200~250℃的条件下进行烘干处理；

（2）将烘干过后的纯镁锭放入坩埚内，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入20~86Kpa氩气充当保护气体，然后开始加热，坩埚温度控制为750~800℃进行纯镁熔化直至镁锭熔化完毕；

（3）待镁锭熔化完毕控制镁液温度在740~750℃，通过真空感应熔炼炉内加料舱依次添加Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金，熔化完成后控制熔液温度在680~730℃添加Li锭和纯铝；

（4）待合金元素熔化完毕后控制熔液温度在680~700℃，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为20~400r/min，搅拌时间为5~30min，搅拌完成后，熔体静止30~120min；

（5）控制熔液温度在680~700℃，将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到所述的镁锂合金铸锭。

优选的，所述的Al、Zr、La、Ce合金元素总质量百分比不超过4%。

优选的，所述的流槽内装有孔径0.1~5mm的陶瓷过滤装置。

优选的，所述的浇铸模具预热温度为100~250℃。

所述的塑性变形工艺：将所述的镁锂合金铸锭在280~350℃进行4~24小时均匀化处理，然后在250~350℃温度下进行塑性变形处理。

本发明所提供的一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法的技术特点是：11%~15%的高锂含量保证了镁锂合金1.30~1.40g/cm³的低密度优势，同时高锂含量使得合金处于β单相区，合金延伸率提高，加工性能变好。合金元素Al的添加能够大幅度提高镁锂合金的强度；Zr元素的添加，对镁锂合金有极为显著的细化效果，改善铸态组织从而提高合金的力学性能；同时La、Ce的加入形成了Mg₃Ce、Mg₁₇Ce、Mg₁₇La₂、Al₃La相，这些相钉扎在晶界，可以阻碍位错运动和滑移，还能抑制热稳定性差的Mg₁₇Al₁₂的生成和晶粒长大，同时这些弥散分布的相还能起到弥散强化的作用，进而提升了镁锂合金的强度。

本发明所提供的一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法的优点是在保证镁锂合金低密度的条件下，通过加入合金元素使得镁锂合金晶粒细小均匀，同时材料的强度有显著的提升，后续加工性能良好，生产工艺操作方便、安全。

具体实施方式

本发明提供了一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，在保证镁锂合金低密度优势的条件下，通过合金化，变形处理提高合金的强度。所述方法制备的镁锂合金，具有晶粒组织细小均匀，较高的强度、塑性等优势。

本发明的技术方案是：一种低密度高强度镁锂合金，合金组分及其质量百分比为11~15%Li，0.5~4%Al，0.05~0.5%Zr，0.2~1.2%La，0.1~0.6%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。

该低密度高强度镁锂合金的制备方法分为真空感应熔炼和塑性变形处理，其中所述真空感应熔炼包括以下步骤：

（3）待镁锭熔化完毕控制镁液温度在740~750℃，通过真空感应熔炼炉内加料舱依次添加Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金，熔化完成后控制熔液温度在680~730℃；

(4)待合金元素熔化完毕后控制熔液温度在680~700℃，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为20~400r/min，搅拌时间为5~30min，搅拌完成后，熔体静止30~120min；

(5)控制熔液温度在680~700℃，将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到所述的镁锂合金铸锭。

所述的塑性变形工艺：将所述镁锂合金铸锭在250~350℃进行4~24小时均匀化处理，然后在250~350℃温度下进行塑性变形处理。

下面通过实施例对本发明真空感应熔炼和塑性变形处理工艺做进一步说明，同时应该理解的是，这些实施例都是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

实施例1

一种低密度高强度镁锂合金，其组分质量百分比为：14%Li，1.5%Al，0.2%Zr，0.8%La，0.2%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。将纯镁、纯铝、Mg-30Zr中间合金、Mg-35La中间合金、Mg-25Ce中间合金在250℃的条件下进行烘干处理。将烘干过后的纯镁锭放入坩埚内，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入70Kpa氩气充当保护气体，然后开始加热，坩埚温度控制为780℃进行纯镁熔化直至镁锭熔化完毕。待镁锭熔化完毕控制镁液温度在740℃，通过真空感应熔炼炉内加料舱依次添加Mg-30Zr中间合金、Mg-35La中间合金、Mg-25Ce中间合金，熔化完成后控制熔液温度在680℃添加Li锭和纯铝；待合金元素熔化完毕后控制熔液温度在690℃，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为20min，搅拌完成后，熔体静止30min。控制熔液温度在680℃，将静置后的熔体经流槽浇铸到预热温度130℃的模具中，得到镁锂合金铸锭。

然后进行塑性变形工艺：将所述镁锂合金铸锭在300℃进行4小时均匀化退火处理，以消除材料在铸造过程中出现的偏析、不平衡结晶等影响。热挤压前将铸锭、挤压垫、挤压模具分别放在箱式电阻炉加热，当电阻炉达到设定温度300℃时，保温3h以便让铸锭整体受热均匀。挤压温度设为260℃，挤压速度为0.8mm/s，挤压比为68:1。采用水基石墨润滑剂对挤压模具进行润滑，以减少铸锭与模具的摩擦。热挤压后的产品风冷至室温，得到低密度高强度镁锂合金。

所得的该低密度高强度镁锂合金在室温下，维氏硬度为67HV，抗拉强度为247MPa，屈服强度为218MPa，延伸率为17%。

实施例2

一种低密度高强度镁锂合金，其组分质量百分比为：12%Li，1%Al，0.5%Zr，0.8%La，0.6%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。将纯镁、纯铝、Mg-30Zr中间合金、Mg-35La中间合金、Mg-25Ce中间合金在250℃的条件下进行烘干处理；将烘干过后的纯镁锭放入坩埚内，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入70Kpa氩气充当保护气体，然后开始加热，坩埚温度控制为780℃进行纯镁熔化直至镁锭熔化完毕。待镁锭熔化完毕控制镁液温度在740℃，通过真空感应熔炼炉内加料舱依次添加Mg-30Zr中间合金、Mg-35La中间合金、Mg-25Ce中间合金，熔化完成后控制熔液温度在680℃添加Li锭和纯铝。待合金元素熔化完毕后控制熔液温度在690℃，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为20min，搅拌完成后，熔体静止30min。控制熔液温度在680℃，将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到镁锂合金铸锭。

然后进行塑性变形工艺：将所述镁锂合金铸锭在300℃下保温12h进行均匀化处理，然后随炉冷却至250℃，保温3h。取出铸锭按照截面积1.4:1进行自由锻造，得到低密度高强度镁锂合金。

所得的该低密度高强度镁锂合金在室温下，维氏硬度为72HV，抗拉强度为262MPa，屈服强度为227MPa，延伸率为13%。

Claims

1.一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，低密度高强度镁锂合金组分及质量百分比为：11~15%Li，0.5~4%Al，0.05~0.5%Zr，0.2~1.2%La，0.1~0.6%Ce，杂质元素Fe、Ni、Cu、Si总量≤0.2%，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述低密度高强度镁锂合金，其特征在于，所述的Al、Zr、La、Ce合金元素总质量百分比不超过4%。

3.一种低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，镁锂合金的制备分为真空感应熔炼和塑性变形处理工艺；所述真空感应熔炼包括以下步骤：

步骤1（原料准备）：按照所述镁锂合金组分及其质量百分比称取一定质量的纯镁、纯锂、纯铝、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金，将纯镁、纯铝、Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金在200~250℃的条件下进行烘干处理；

步骤2（熔镁）：将烘干过后的纯镁锭放入坩埚内，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入20~86Kpa氩气充当保护气体，然后开始加热，坩埚温度控制为750~800℃进行纯镁熔化，直至镁锭熔化完毕；

步骤3（合金元素添加）：待镁锭熔化完毕控制镁液温度在740~750℃，通过真空感应熔炼炉内加料舱依次添加Mg-Zr中间合金、Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金，熔化完成后控制熔液温度在680~730℃下添加Li锭和纯铝；

步骤4（精炼）：待合金元素熔化完毕后控制熔液温度在680~700℃，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为20~400r/min，搅拌时间为5~30min，搅拌完成后，熔体静置30~120min；

步骤5（铸造）：控制熔液温度在680~700℃，将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到所述的镁锂合金铸锭。

4.根据权利要求3步骤5所述的低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，所述的流槽内装有孔径0.1~5mm的陶瓷过滤装置。

5.根据权利要求3步骤5所述的低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，所述的浇铸用模具，其浇铸时模具温度为100~250℃。

6.根据权利要求3所述的低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，所述的塑性变形工艺：将所述镁锂合金铸锭在280~350℃进行4~24小时均匀化处理，然后在250~350℃温度下进行塑性变形处理。

7.根据权利要求6所述的低密度高强度镁锂合金及其制备方法，其特征在于，所述的塑性变形工艺可以为锻造、挤压、冲压或者轧制中的一种或者多种的组合。