CN114015918B - 一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法，属于金属材料镁合金的技术领域。所述低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：0.5‑5wt.％，Al：0.5‑6wt.％，Y：0.5‑10wt.％，Li：8‑16wt.％，Zr：0‑1wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zr元素的含量选择不能为0。所述制备方法包括合金配料、烘料、真空熔炼铸造和热处理。本发明解决了传统Mg‑Al‑Zn、Mg‑Gd‑Y‑Zr、Mg‑Li‑Al镁合金无法实现的模量提升，采用全自动真空熔炼精确控制成分，无环境污染、避免了氧化烧损等问题，制备过程安全可靠，成分工艺性能可重复。

Description

一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料镁合金的技术领域，涉及一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法。

背景技术

镁合金具有重量轻、比强度高、生物相容性好等特点，而且它也具有可回收重复利用性，是21世纪的绿色工程材料，在航空航天、汽车、武器装甲等方面有着广泛应用前景。然而，由于镁的密排六方结构致使其晶格滑移系数较少，在挤压、轧制、锻造、冲压等工艺过程中表现出较差的塑性。故而，镁锂合金的研究备受关注。

研究发现，LA系列镁锂合金密度在1.35-1.65g/cm³之间，是目前最轻的金属结构材料，例如LA141以14wt.％Li、1wt.％Al为主要合金成分，比普通镁合金质量轻1/4-1/3，比铝合金质量轻1/3-1/2。用镁锂合金替代部分铝合金、钛合金及铍合金，可获得显著的减重效果。镁锂合金除普通镁合金的优点外，还具有良好的延展性、阻尼性能以及电磁屏蔽性等优异性能，应用范围较广。

然而，由于现有大多数镁锂合金中的绝对强度和弹性模量低，抗蠕变性能差和室温过时效和耐腐蚀性差，故而限制了其在高性能工程化方面的应用。

目前，在镁锂合金中，随着Li含量的增加，镁合金的密排六方结构(HCP结构，α单相)晶格轴比(c/a)降低，除基面滑移{0001}<112_0>外，增加了一

—个棱面滑移系{1010}<112_0>。同时，晶体结构从HCP结构向体心立方结构(BCC结构，β单相)转变，提高合金的延展性，塑性成型能力。

根据Mg-Li二元相图可知，当锂含量低于5.7wt.％时，合金由α-Mg单相组成；当锂含量介于5.7-10.3wt.％时，合金由α-Mg和β-Li两相组成；当锂含量超过10.3wt.％时，合金由β-Li单相组成。

而BCC结构的β-Li相在Mg-Li合金中存在较多的晶格滑移系，在变形加工过程中不易发生硬化。针对镁锂合金的强化工艺，国内外学者主要通过合金化、热处理及变形加工处理等使镁锂合金获得析出强化、固溶强化、细晶强化等复合强化效果。

合金化是提高金属性能最基本的方法之一。镁锂合金中研究最多的是Al、Zn作为主要的合金化元素的Mg-Li-Al(LA)系和Mg-Li-Zn(LZ)系。但是单纯研究Mg-Al-Li、Mg-Al-Zn等合金体系虽然强度得以提升，仍暴露出力学性能不高、热稳定性差等问题，前述问题仍是镁锂合金进一步发展的掣肘。

为了克服这些问题，研究者在三元合金的基础之上通过添加合金元素来提高力学性能。而添加常规元素，在强化Mg-Li合金的同时，会降低铸锭塑性，容易引起脆性断裂，尤其是存在过时效。

近年来，人们发现添加稀土元素可以弥补常规元素的缺陷，很好地起到固溶强化和析出强化的效果；并且还可以细化晶粒、净化熔体、改善铸锭的力学性能以及耐腐蚀性。

中国专利CN106947901A公开了一种高强度高弹性模量镁锂基复合材料及其制备方法，其中：通过添加高含量(10wt.％)大尺寸(40μm)的Al₂Y或Al₂Ca的金属间化合物，获得一种具有高强度高模量镁锂基复合材料。该方法中通过外加高含量Al₂Y金属间化合物，虽然获得高模量镁锂基复合材料，弹性模量达到了60GPa，但强度和塑性急剧下降，延展性较差，容易在外加增强颗粒与镁锂基体界面发生脆性断裂，极大的限制了工程应用范围，尤其是对本申请塑性和疲劳性能要求较高的铸锭制备更加难以适用。

中国专利CN104928550A公开了一种高强度高模量铸造镁合金及其制备方法，其中：通过添加大量重金属的稀土Gd：6-12wt.％，和少量的Li：1-5wt.％，获得高模量铸造镁合金。该方法中添加了大量的稀土Gd元素，导致镁锂合金密度提高至接近铝合金水平，不能满足镁锂合金的密度小、比强度和比模量高的技术需求，从而限制了其工程应用范围。因此，如何获得本申请所需的低密度高强度高模量的镁锂合金是发展镁合金材料应用范围的重要技术难题。

中国专利CN110343923A公开了一种低密度高强度高塑性镁锂合金及其制备方法，不仅指出目前大多数镁锂合金中Li含量控制在5.7-10.3％之间，而且通过添加稀土元素La提升强度水平。然而抗拉强度低于300MPa，强度较低。传统低锂高稀土元素设计思路主要局限于对高锂含量成分精确控制，缺乏可靠的熔炼工艺。例如，目前镁锂合金的制备，大多数采用电阻炉或中频炉熔炼，熔炼过程使用大量对环境污染的CO₂+SF₆混合气体，并通过含氟覆盖剂进行保护。这导致了锂含量越高，挥发越严重，成分越不准确。同时，高合金化镁锂熔炼过程中由于Li含量高，化学性能比较活泼，不但易挥发，烧损率高，而且与覆盖剂反应剧烈，大量带入氧化物、熔盐等杂质，造成铸锭各个位置成分不均匀，杂质含量高。故而该镁锂合金的制备方式并不适合于本申请的低密度高强度高模量的镁锂合金，存在诸多技术缺陷和副反应，不利于工业大规模生产和推广。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术中的Mg-Al-Li、Mg-Al-Zn等合金体系力学性能和热稳定性差，强度、塑性与热稳定性不能很好的匹配，添加的大量稀土合金元素会增大Mg-Al-Li、Mg-Al-Zn等合金体系铸锭的密度，且制备方法中使用的CO₂+SF₆混合气体和含氟覆盖剂进行保护，不仅使得熔炼过程中Li元素挥发，而且反应造成了原料损失和杂质带入，污染环境。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种低密度高强度高模量的镁锂合金，所述低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：0.5-5wt.％，Al：0.5-6wt.％，Y：0.5-10wt.％，Li：8-16wt.％，Zr：0-1wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zr元素的含量选择不能为0。

其中，Gd和Y两种混合稀土元素，既可以在镁锂合金中起到固溶强化和析出强化效果，又可以在固溶时效热处理过程中析出弥散且热稳定性好的析出强化相从而提高镁锂合金的强度和抗蠕变能力。同时，添加混合稀土元素也可以降低生产成本。

Al元素可以起到细化晶粒效果，同时与稀土元素形成具有高弹性模量的析出相(Al₂RE)，从而获得高模量的镁锂合金；本发明中添加Al元素也可以与Li元素形成Al-Li析出强化相，提高镁锂合金的弹性模量与强度。

Zr元素能细化晶粒组织，成为镁锂合金的异质形核核心，同时也抑制了晶粒长大。

优选地，所述杂质中Si、Fe、Cu、Ni、Mn杂质总量小于0.03wt.％。

优选地，所述低密度高强度高模量的镁锂合金的性能：密度为1.15-1.55g/cm³，抗拉强度为350-410MPa，延伸率为25％-40％，弹性模量为60-70GPa。

所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、合金配料

按照所述低密度高强度高模量的镁锂合金中元素化学成分质量比将纯镁、纯锂、纯铝箔、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Zr中间合金作为原料称重准备；

S2、烘料

将步骤S1称量的纯Mg、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、以及坩埚在150-250℃预热0.5-3h；

S3、真空熔炼铸造

将步骤S2中预热之后的原料放入预热之后的坩埚中，并将前述坩埚放入真空熔炼炉中，抽3次以上真空，达到真空度10^-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.1MPa以上；之后升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温，最后浇注成镁锂合金铸锭；

S4、热处理

将步骤S3中真空熔炼铸造得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，抽3次以上真空，达到真空度10^-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.1MPa以上；之后进行固溶处理+淬火，最后进行时效处理；

S5、待混合均匀冷却后，取出经过热处理的镁锂合金铸锭。

优选地，所述步骤S1中：Mg-Gd中间合金中的Gd含量为20-50wt.％；Mg-Y中间合金中的Y含量为20-50wt.％；Mg-Zr中间合金中的Zr含量为10-40wt.％。

优选地，所述步骤S1中用纯铝箔包覆纯锂，待熔炼时放入坩埚中。

优选地，所述步骤S3中真空熔炼炉为真空自动浇注炉，所述真空自动浇注炉自动控制原料熔化后熔液的搅拌和浇注。

优选地，所述步骤S3中的坩埚为不锈钢坩埚、铸铁坩埚、BN坩埚或石墨坩埚。

优选地，所述步骤S3中的真空熔炼铸造为：

S301、所述坩埚放入真空炉内后，抽真空至真空度10^-3Pa，并通入氩气直至0.1MPa以上；前述过程重复循环多次；

S302、保持炉内氩气保护气体的压力在0.1MPa以上，设定加热温度700-780℃，加热功率为50％-100％；

S303、开始加热升温至原料全部为熔融液态，然后保温20-60min，并开启自动搅拌，保持5-30min；

S304、停止自动搅拌，开始降温直至浇注温度，然后浇注得到镁锂合金铸锭。

优选地，所述步骤S4中固溶处理+淬火为：将真空熔炼得到的镁锂合金铸锭在300-500℃下进行固溶处理3-24h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在150-250℃下时效处理6-30h。

本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：

上述方案中，本发明通过同时加入Gd和Y既能细化晶粒、又能生成热稳定性好的高强度高模量Mg₅RE(Gd/Y)的析出强化相；同时加入Al和Y，既发挥固溶强化，又能在晶内形成细小弥散Al₂Y强化相；同时添加Zr，既能为镁锂合金提供凝固过程中的异质形核质点，发挥细化晶粒效果，又能阻碍热处理过程中再结晶晶粒长大。

另外，添加一定量的Al也可与Li形成Al₃Li高模量相、与Mg在晶内连续生成高模量Mg₁₇Al₁₂析出强化相，进而获得高强度高模量的镁锂合金。

本发明中的Li含量为8-16wt.％，既可以在镁锂合金中形成双相组织结构的镁锂合金又可以在镁锂合金中形成单相结构组织；所制备的镁锂合金中Li元素的收得率高达99.9％。

本发明提供的镁锂合金的制备方法解决了传统熔炼方法中对环境造成的污染以及收得率低的问题，同时本发明所使用的熔炼设备安全可靠，实现了自动化熔炼，降低了实验危险系数，利于工业大规模生产和推广。

本发明中所述低密度高强度高模量的镁锂合金的性能：密度为1.15-1.55g/cm³，抗拉强度为350-410MPa，延伸率为25％-40％，弹性模量为60-70GPa。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的低密度高强度高模量的镁锂合金的铸态显微组织结构图；

图2是本发明实施例2的低密度高强度高模量的镁锂合金的铸态显微组织结构图；

图3是本发明实施例3的低密度高强度高模量的镁锂合金的铸态显微组织结构图；

图4是本发明实施例4的低密度高强度高模量的镁锂合金的铸态显微组织结构图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：1.5wt.％；Al：5wt.％；Y：4wt.％；Li：10wt.％；Zr：0.5wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含1.5wt.％Gd的Mg-30wt.％Gd中间合金，含4wt.％Y的Mg-30wt.％Y中间合金，含0.5wt.％Zr的Mg-30wt.％Zr中间合金，10wt.％纯Li，5wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在200℃下预热1h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为730℃，加热功率为70％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温30min，开启自动搅拌15min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在350℃下进行固溶处理4h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在180℃下时效处理12h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.50g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，铸态显微组织结构图如图1所示，室温力学性能：抗拉强度为350MPa，延伸率为35％，弹性模量为62GPa。

实施例2

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：1wt.％；Al：6wt.％；Y：5wt.％；Li：15wt.％；Zr：0.5wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含1wt.％Gd的Mg-20wt.％Gd中间合金，含5wt.％Y的Mg-20wt.％Y中间合金，含0.5wt.％Zr的Mg-20wt.％Zr中间合金，15wt.％纯Li，6wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在230℃下预热2h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为780℃，加热功率为60％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温50min，开启自动搅拌20min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在400℃下进行固溶处理6h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在220℃下时效处理20h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.35g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，铸态显微组织结构图如图2所示，室温力学性能：抗拉强度为400MPa，延伸率为25％，弹性模量为60GPa。

实施例3

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：3wt.％；Al：4wt.％；Y：8wt.％；Li：15wt.％；Zr：0.5wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含3wt.％Gd的Mg-30wt.％Gd中间合金，含8wt.％Y的Mg-30wt.％Y中间合金，含0.5wt.％Zr的Mg-30wt.％Zr中间合金，15wt.％纯Li，4wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在230℃下预热2h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为780℃，加热功率为65％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温40min，开启自动搅拌10min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在450℃下进行固溶处理10h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在250℃下时效处理18h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.45g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，铸态显微组织结构图如图3所示，室温力学性能：抗拉强度为400MPa，延伸率为25％，弹性模量为61GPa。

实施例4

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：1wt.％；Al：4wt.％；Y：6wt.％；Li：16wt.％；Zr：0.3wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含1wt.％Gd的Mg-30wt.％Gd中间合金，含6wt.％Y的Mg-30wt.％Y中间合金，含0.3wt.％Zr的Mg-30wt.％Zr中间合金，16wt.％纯Li，4wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在200℃下预热0.5h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为780℃，加热功率为65％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温60min，开启自动搅拌15min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在350℃下进行固溶处理5h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在200℃下时效处理18h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.20g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，铸态显微组织结构图如图4所示，室温力学性能：抗拉强度为350MPa，延伸率为30％，弹性模量为60GPa。

实施例5

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：2wt.％；Al：2wt.％；Y：3wt.％；Li：11wt.％；Zr：0.7wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含2wt.％Gd的Mg-50wt.％Gd中间合金，含3wt.％Y的Mg-50wt.％Y中间合金，含0.7wt.％Zr的Mg-40wt.％Zr中间合金，11wt.％纯Li，2wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在170℃下预热3h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为745℃，加热功率为80％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温43min，开启自动搅拌25min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在450℃下进行固溶处理4h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在170℃下时效处理14h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.40g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，室温力学性能：抗拉强度为380MPa，延伸率为39％，弹性模量为63GPa。

实施例6

一种低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：4wt.％；Al：3wt.％；Y：9wt.％；Li：9wt.％；Zr：0.9wt.％；杂质元素Si、Fe、Cu、Ni、Mn总量小于0.03wt.％；余量为Mg。

上述成分的低密度高强度高模量镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金配料

按照镁锂合金原料配比，配制总质量为含4wt.％Gd的Mg-40wt.％Gd中间合金，含9wt.％Y的Mg-50wt.％Y中间合金，含0.9wt.％Zr的Mg-30wt.％Zr中间合金，9wt.％纯Li，3wt.％纯铝箔，余量为纯镁；其中，用纯铝箔包裹纯锂；

S2、烘料

将配置好的原料(纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金)和不锈钢坩埚在190℃下预热2.5h；

S3、真空熔炼铸造

将预热好的原料和铝箔包裹的纯锂放入不锈钢坩埚中并放入真空熔炼炉中，然后抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力不低于0.1MPa，设置熔炼温度为765℃，加热功率为90％；开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温55min，开启自动搅拌30min后降温至浇注温度，开始浇注；

S4、热处理

将真空熔炼得到的铸锭放入真空管式炉中，接着抽真空至真空度为10^-3Pa，并通入氩气，保持炉内氩气压力为0.1MPa以上；然后在320℃下进行固溶处理10h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在230℃下时效处理18h。

待混合均匀冷却后，取出镁锂合金铸锭，其密度为：1.50g/cm³，该Mg-Li-Al-Gd-Y-Zr合金可用于较大变形量的塑性加工，室温力学性能：抗拉强度为410MPa，延伸率为35％，弹性模量为70GPa。

上述方案中，本发明通过同时加入Gd和Y既能细化晶粒、又能生成热稳定性好的高强度高模量Mg₅RE(Gd/Y)的析出强化相；同时加入Al和Y，既发挥固溶强化，又能在晶内形成细小弥散Al₂Y强化相；同时添加Zr，既能为镁锂合金提供凝固过程中的异质形核质点，发挥细化晶粒效果，又能阻碍热处理过程中再结晶晶粒长大。

另外，添加一定量的Al也可与Li形成Al₃Li高模量相、与Mg在晶内连续生成高模量Mg₁₇Al₁₂析出强化相，进而获得高强度高模量的镁锂合金。

本发明中的Li含量为8-16wt.％，既可以在镁锂合金中形成双相组织结构的镁锂合金又可以在镁锂合金中形成单相结构组织；所制备的镁锂合金中Li元素的收得率高达99.9％。

本发明提供的镁锂合金的制备方法解决了传统熔炼方法中对环境造成的污染以及收得率低的问题，同时本发明所使用的熔炼设备安全可靠，实现了自动化熔炼，降低了实验危险系数，利于工业大规模生产和推广。

本发明中所述低密度高强度高模量的镁锂合金的性能：密度为1.15-1.55g/cm³，抗拉强度为330-400MPa，延伸率为20％-40％，模量为55-65GPa。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低密度高强度高模量的镁锂合金，其特征在于，所述低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：0.5-5wt.％，Al：0.5-6wt.％，Y：0.5-10wt.％，Li：8-16wt.％，Zr：0-1wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zr元素的含量选择不能为0；

所述杂质中Si、Fe、Cu、Ni、Mn杂质总量小于0.03wt.％；

所述低密度高强度高模量的镁锂合金的性能：密度为1.15-1.55g/cm³，抗拉强度为350-410MPa，延伸率为25％-40％，弹性模量为60-70GPa。

2.根据权利要求1所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S1、合金配料

按照所述低密度高强度高模量的镁锂合金中元素化学成分质量比将纯镁、纯锂、纯铝箔、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Zr中间合金作为原料称重准备；

S2、烘料

将步骤S1称量的纯Mg、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金、以及坩埚在150-250℃预热0.5-3h；

S3、真空熔炼铸造

将步骤S2中预热之后的原料放入预热之后的坩埚中，并将前述坩埚放入真空熔炼炉中，抽3次以上真空，达到真空度10^-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.1MPa以上；之后升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温，最后浇注成镁锂合金铸锭；

S4、热处理

将步骤S3中真空熔炼铸造得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，抽3次以上真空，达到真空度10^-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.1MPa以上；之后进行固溶处理+淬火，最后进行时效处理；

S5、待混合均匀冷却后，取出经过热处理的镁锂合金铸锭。

3.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：Mg-Gd中间合金中的Gd含量为20-50wt.％；Mg-Y中间合金中的Y含量为20-50wt.％；Mg-Zr中间合金中的Zr含量为10-40wt.％。

4.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中用纯铝箔包覆纯锂，待熔炼时放入坩埚中。

5.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中真空熔炼炉为真空自动浇注炉，所述真空自动浇注炉自动控制原料熔化后熔液的搅拌和浇注。

6.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的坩埚为不锈钢坩埚、铸铁坩埚、BN坩埚或石墨坩埚。

7.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的真空熔炼铸造为：

S301、所述坩埚放入真空炉内后，抽真空至真空度10^-3Pa，并通入氩气直至0.1MPa以上；前述过程重复循环多次；

S302、保持炉内氩气保护气体的压力在0.1MPa以上，设定加热温度700-780℃，加热功率为50％-100％；

S303、开始加热升温至原料全部为熔融液态，然后保温20-60min，并开启自动搅拌，保持5-30min；

S304、停止自动搅拌，开始降温直至浇注温度，然后浇注得到镁锂合金铸锭。

8.根据权利要求2所述的低密度高强度高模量的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中固溶处理+淬火为：将真空熔炼得到的镁锂合金铸锭在300-500℃下进行固溶处理3-24h后，再进行冷水淬火处理，然后将镁合金铸锭在150-250℃下时效处理6-30h。

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