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CN114250393B - 一种高强度高模量双相的镁锂合金及制备方法 - Google Patents

一种高强度高模量双相的镁锂合金及制备方法 Download PDF

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CN114250393B CN202111647334.4A CN202111647334A CN114250393B CN 114250393 B CN114250393 B CN 114250393B CN 202111647334 A CN202111647334 A CN 202111647334A CN 114250393 B CN114250393 B CN 114250393B
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Abstract

本发明公开一种高强度高模量双相的镁锂合金及制备方法，属于金属材料镁合金的技术领域。所述高强度高模量双相的镁锂合金的按质量百分比例为：Gd：0.05‑4wt.％，Al：0.5‑5wt.％，Y：0.05‑8wt.％，Li：5‑10wt.％，Zn：0‑5wt.％，Mn：0.05‑4wt.％余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zn元素的含量选择不能为0。所述制备方法包括原料准备阶段、预热原料阶段、热处理炉气氛调节、真空熔炼阶段、真空管式炉气氛调节和热处理阶段。本发明采用了微合金化和热处理相结合的方式，能够在控制双相镁锂合金的低密度的同时，协同提高双相镁锂合金的强度、延伸率和弹性模量。

Description

一种高强度高模量双相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，涉及一种高强度高模量双相的镁锂合金及制备方法。
背景技术
镁合金具有质轻、比强度高、生物相容性好等特点。随着全球能源资源危机加剧以及汽车、航空航天和3C产业的迅速发展，使得研究者不得不把目光转向轻量化、环保节能的高性能金属结构件上，相继开发出了各种新型的高性能镁合金，推动了镁合金材料的进一步工业化生产和应用进程。
而镁锂合金是迄今为止密度最小的金属结构材料，也被称为超轻合金。由于锂元素的密度低，能够显著降低镁合金的密度，同时锂元素也能显著提高镁合金的塑性和加工变形性。根据二元合金相图，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。
然而，α-Mg相为密排六方结构，可以显著提高镁锂合金的强度，但是α-Mg相的晶格滑移系少，塑性差。β-Li相为BCC结构，可以显著提高镁锂合金的塑性，这主要是由于添加Li元素使得HCP结构的α-Mg相的晶格轴比降低，抑制了<a>基底滑移，促进了<a>棱柱滑移和<c+a>锥体滑移。但是随着β-Li相的增多，镁锂合金的强度下降。故而如何调节镁锂双相合金中两相的占比和组织结构，使得新的镁锂合金成分、组织结构和综合性能适用于汽车、航空航天和3C产业的高强度高模量的技术需求，前述这些受到了研究人员的广泛重视。
目前，如LA91A、LAZ933A、LZ91等α-Mg+β-Li双相的镁锂合金因其具有独特的晶体结构和良好的塑性备受关注。但是，现阶段成熟型号的镁锂合金的强度和弹性模量(一般在35-45GPa)协同强度比较低，无法满足实际工程应用中对结构材料性能的需求，严重制约了该类合金的应用与进一步发展。
现阶段关于镁锂合金的研究很多，具体如下：
中国专利CN107523770B公开了一种提高长程结构有序相强化双相镁锂合金性能的热处理工艺，其热处理工艺是通过合理固溶制度将铸态长程结构有序强化相镁锂合金进行固溶处理，并未考虑固溶处理和时效处理对强度和弹性模量的协同提高，故而获得的镁锂合金的抗拉强度120-180MPa低于320MPa和屈服强度100-150MPa低于280MPa，延伸率低于16％，该专利所获得的镁锂合金轻度仍无法满足实际工业应用中对材料性能的需求，有待提高。
中国专利CN112680641A公开了一种固溶态的含Zn双相镁锂合金及其制备方法和应用，其制备方法是通过采用Zn元素和固溶热处理工艺有效提高双相镁锂合金的力学强度，然而最终得到的含Zn双相镁锂合金的抗拉强度221-302MPa低于320MPa和屈服强度168-275MPa低于280MPa，延伸率远小于16％；故而其虽然采用固溶热处理提高了合金的强度，但强度仍未达到实际应用的期望目标；此外，其采用了大量的Zn元素(>8wt.％)提高合金强度，由于Zn密度较大，加入大量Zn元素会引起Mg-Li合金密度的增大，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。
中国专利CN113430436A公开了一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金及其制备方法，其制备方法是通过原位自生成准晶相提升双相镁锂合金材料弹性模量，但其所获得的镁锂合金弹性模量仍然低于50GPa，远未达到实际应用的需求，还有望显著提升镁锂合金的模量，从而推动超轻镁锂合金的实际工程应用。
中国专利CN110029254A公开了一种多元微合金化双相镁锂合金及其制备方法，其中虽然公开了本发明的多元微合金化双相镁锂合金及其制备方法对Li元素含量合理控制，形成α相、β相最佳比例的α+β双相组织，并通过多元微合金化方式，从而获得了同时具有高强度和高延伸率的双相镁锂合金；但是铸锭不仅需要两阶段的均匀化处理，而且是产品通过挤压成型或轧制成型，而不是铸造成型。此外，其中的α相、β相最佳比例的α+β双相组织从实施例可以看出，所获得的抗拉强度最高240MPa低于320MPa，屈服强度最高190MPa低于280MPa，强度也未达到实际应用的期望目标。
综上，镁锂合金的研究中为了满足双相镁锂合金的高强度或高延伸率提高的技术需求，采用了微合金化、热处理、热加工的方式，然而并不能够在控制双相镁锂合金的低密度的同时，协同提高双相镁锂合金的强度和延伸率，使得抗拉强度、屈服强度和延伸率高度匹配，弹性模量不低于60GPa。
发明内容
为了解决上述技术存在的不足和缺点，本发明解决的技术问题是提供一种高强度高模量双相的镁锂合金及其制备方法，通过合理的控制和选择合金元素的含量和配比、合金化、真空铸造、和热处理步骤等工艺结合协同获得满足低密度、高强度、高延伸率和高模量目标需求的高强度高模量双相的镁锂合金。
本发明提供如下技术方案：
一种高强度高模量双相的镁锂合金，所述高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：0.05-4wt.％，Al：0.5-5wt.％，Y：0.05-8wt.％，Li：5-10wt.％，Zn：0-5wt.％，Mn：0.05-4wt.％余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zn元素的含量选择不能为0，所述杂质中Si、Fe、Cu、Ni、Ca杂质总量小于0.03wt.％。
优选地，所述高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：1-3wt.％，Al：3-5wt.％，Y：2-5wt.％，Li：5-8wt.％，Zn：2-4wt.％，Mn：0.5-3wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质，所述杂质中Si、Fe、Cu、Ni、Ca杂质总量小于0.03wt.％。
其中，本发明通过调控Li元素的含量和合金元素的配比，使得镁锂合金基体中能同时存在α+β两相基体相，可以通过α相提高镁锂合金的强度和模量，通过β相提高镁锂合金的塑性和延伸率；
同时，通过添加Al、Zn、Mn、Gd、Y、Li等元素进行多元合金化，起到固溶强化效果；
同时添加Gd和Y两种混合稀土元素，因其在镁中固溶度较大，不仅可以在镁锂合金中起到固溶强化，又可以在镁锂合金中与Al元素形成Al2RE强化相，提高镁锂合金的弹性模量；
同时，添加混合稀土元素也可以降低生产成本。
而Al和Zn元素同时添加不仅可以起到细化晶粒效果，而且两种之间可以优势互补，提高镁锂合金的强度，同时也会生成高模量的相(MgLi2Al和MgLi2Zn)；此外，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。
Mn元素不仅能细化晶粒组织，成为镁锂合金的异质形核核心，同时也能与Al元素形成高模量的第二相(Al8Mn5)，从而提高镁锂合金的弹性模量和强度。
优选地，所述高强度高模量双相的镁锂合金的组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为20-60％，β相占比为50-80％，α相+β相的总占比不超过93％。
优选地，所述高强度高模量双相的镁锂合金的性能：密度为1.25-1.65g/cm3，抗拉强度为320-450MPa，屈服强度为280-350MPa，延伸率为16％-35％，弹性模量为60-75GPa。
所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比将纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-Li中间合金或纯Li、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Mn中间合金作为原料进行称量，并打磨表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、坩埚放入热处理炉中预热以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度、加入数量及易挥发程度等因素放入坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理炉设置熔炼温度并开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温，之后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
经过步骤S5后的真空管式炉设置热处理温度，之后进行固溶时效热处理工艺，最终得到高强度高模量双相的镁锂合金。
优选地，所述步骤S1中，Mg-Li、Mg-Gd、Mg-Y中间合金中的Li、Gd和Y含量均为20-50wt.％；Mg-Mn中间合金中的Mn含量为10-30wt.％。
优选地，所述步骤S1中所述步骤S1中所述的纯Mg、纯Zn、纯Li、纯Al纯度均为99.80-99.99％。
优选地，所述步骤S2中预热温度为100-250℃，预热时间为0.5-3h。
优选地，所述步骤S3中坩埚的不同位置为Mg-Li中间合金或纯Li放入坩埚最上部。
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加热熔化原料、搅拌合金熔液和浇注成型。
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S4中升温熔炼采用梯度式加热方式。
优选地，所述步骤S4中真空熔炼阶段为：
S401、设置熔炼温度为680-800℃，加热功率为50％-100％；
S402、采用梯度式加热方式开始加热，直至原料完全熔化，并保温10-50min，自动搅拌10-30min；
S403、停止自动搅拌，然后开始降温，直至浇注温度，最后浇注得到镁锂合金铸锭。
优选地，所述步骤S6中固溶时效热处理工艺为：将镁锂合金铸锭放置于真空管式炉中在300-500℃下进行固溶处理3-48h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在50-250℃下时效处理5-48h。
优选地，所述步骤S6中固溶时效热处理工艺为：将镁锂合金铸锭放置于真空管式炉中在300-400℃下进行固溶处理3-10h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在50-120℃下时效处理5-7h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明通过控制Li元素的含量和合金配比使得基体中同时存在α+β两相基体相，能够提高基体的强度、塑性和延展性。同时添加Al、Zn、Mn、Gd和Y等合金化元素，既能起到固溶强化的效果又能生成高模量的第二相，从而获得了同时具有高强度和高模量的双相镁锂合金。
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；同时与加入的Al元素能够生成细小弥散强化相Al2RE，从而提高镁锂合金的弹性模量，主要分布在晶界处，在塑性变形时可以对晶粒起到钉扎效果。
本发明通过同时添加Al和Zn，在镁锂合金中具有较大的固溶度，能够产生很好地固溶强化效果。同时加入这两种元素可以优势互补，提高合金的强度。在镁锂合金中也会生成MgLi2Al和MgLi2Zn合金化合物，从而提高合金的强度。同时添加少量Zn，在镁锂合金中也会生成具有高弹性模量的相，进一步提高镁锂合金的弹性模量和强度。
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、弹性模量难以提升以及收得率低的问题，制备工艺简单，生产成本低，而且经过简单的微合金化和热处理工艺即可获得高强度高模量双相镁锂合金。同时所制备的镁锂合金中Li元素的收得率高达99.9％。
本发明中所述高强度高模量双相的镁锂合金的性能：抗拉强度为320-450MPa，屈服强度为280-350MPa，延伸率为16％-35％，弹性模量为60-75GPa。
总之，本发明采用了微合金化和热处理相结合的方式，能够在控制双相镁锂合金的低密度的同时，协同提高双相镁锂合金的强度、延伸率和弹性模量，使得高抗拉强度、高屈服强度和高延伸率匹配效果优异，而弹性模量不低于60GPa。
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的高强度高模量双相的镁锂合金的铸态显微组织图；
图2是本发明实施例1的高强度高模量双相的镁锂合金的热处理态的拉伸曲线；
图3是本发明实施例2的高强度高模量双相的镁锂合金的铸态显微组织图；
图4是本发明实施例3的高强度高模量双相的镁锂合金的铸态显微组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。
实施例1
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：2.0wt.％，Al：4.0wt.％，Y：3.0wt.％，Li：8.0wt.％，Zn：3.0wt.％，Mn：1.0wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含2wt.％Gd的Mg-28wt.％Gd中间合金，含3wt.％Y的Mg-28wt.％Y中间合金，含1wt.％Mn的Mg-28wt.％Mn中间合金，含4wt.％纯Al，8wt.％纯Li，3wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、不锈钢坩埚放入热处理炉中在200℃预热2h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入不锈钢坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为750℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温40min，搅拌15min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度410℃下进行固溶处理10h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在100℃下时效处理5h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织图如图1所示，组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为45％，β相占比为48％；综合性能如图2所示：抗拉强度为354MPa，屈服强度为286MPa，延伸率为20.5％，弹性模量为66.2GPa。
实施例2
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：3.0wt.％，Al：5.0wt.％，Y：2.0wt.％，Li：5.0wt.％，Zn：4.0wt.％，Mn：3.0wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含3wt.％Gd的Mg-23wt.％Gd中间合金，含2wt.％Y的Mg-40wt.％Y中间合金，含3wt.％Mn的Mg-20wt.％Mn中间合金，含5wt.％纯Al，5wt.％纯Li，4wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、石墨坩埚放入热处理炉中在220℃预热1.5h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入石墨坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为780℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温20min，搅拌20min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度380℃下进行固溶处理6h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在50℃下时效处理6h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织图如图3所示，组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为60％，β相占比为33％；综合性能：抗拉强度为451MPa，屈服强度为317MPa，延伸率为24.6％，弹性模量为69.4GPa。
实施例3
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：1.8wt.％，Al：4.2wt.％，Y：4.9wt.％，Li：7.8wt.％，Zn：1.8wt.％，Mn：3.1wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含2wt.％Gd的Mg-43wt.％Gd中间合金，含5wt.％Y的Mg-35wt.％Y中间合金，含3wt.％Mn的Mg-25wt.％Mn中间合金，含8wt.％Li的Mg-48wt.％Li中间合金，含4wt.％纯Al，2wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、BN坩埚放入热处理炉中在100℃预热2h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入BN坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为690℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温40min，搅拌15min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度390℃下进行固溶处理6h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在120℃下时效处理6h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织图如图4所示，组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为53％，β相占比为40％；综合性能：抗拉强度为383MPa，屈服强度为279MPa，延伸率为16.6％，弹性模量为64GPa。
实施例4
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：2.2wt.％，Al：3.0wt.％，Y：5.1wt.％，Li：7.0wt.％，Zn：4.3wt.％，Mn：1.0wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含2wt.％Gd的Mg-47wt.％Gd中间合金，含5wt.％Y的Mg-20wt.％Y中间合金，含1wt.％Mn的Mg-18wt.％Mn中间合金，含3wt.％纯Al，7wt.％纯Li，4wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、铸铁坩埚放入热处理炉中在190℃预热1.5h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入铸铁坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为740℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温20min，搅拌20min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度310℃下进行固溶处理6h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在110℃下时效处理6h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为40％，β相占比为53％；该双相镁锂合金的综合性能：抗拉强度为421MPa，屈服强度为305MPa，延伸率为16.3％，弹性模量为72GPa。
实施例5
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：0.93wt.％，Al：3.9wt.％，Y：4.9wt.％，Li：8.2wt.％，Zn：4.1wt.％，Mn：2.86wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含1wt.％Gd的Mg-25wt.％Gd中间合金，含5wt.％Y的Mg-46wt.％Y中间合金，含3wt.％Mn的Mg-23wt.％Mn中间合金，含4wt.％纯Al，8wt.％纯Li，4wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、石墨坩埚放入热处理炉中在130℃预热2h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入石墨坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为700℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温20min，搅拌6min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度480℃下进行固溶处理5h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在100℃下时效处理7h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为38％，β相占比为55％；该双相镁锂合金的力学性能：抗拉强度为：405MPa，屈服强度为352MPa，延伸率为：30.8％，弹性模量为65GPa。
实施例6
一种高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：2.5wt.％，Al：4.87wt.％，Y：5.2wt.％，Li：6.13wt.％，Zn：3.95wt.％，Mn：0.53wt.％余量为Mg和不可避免的杂质。
所述高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比称量总质量为含2wt.％Gd的Mg-32wt.％Gd中间合金，含5wt.％Y的Mg-25wt.％Y中间合金，含0.5wt.％Mn的Mg-26wt.％Mn中间合金，含6wt.％Li的Mg-26wt.％Li中间合金，含5wt.％纯Al，4wt.％纯Zn，余量为纯Mg；并去除表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、不锈钢坩埚放入热处理炉中在110℃预热2h以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度等因素放入不锈钢坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理设置熔炼温度为730℃并采用梯度式加热方式开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温40min，搅拌15min后降温至浇注温度，最后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
对经过步骤S5后的真空管式炉设置固溶温度500℃下进行固溶处理5h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在115℃下时效处理6h。即得到本实施例的所述高强度高模量双相的镁锂合金。
该双相镁锂合金的铸态显微组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为57％，β相占比为36％；该双相镁锂合金的力学性能：抗拉强度为：448MPa，屈服强度为362MPa，延伸率为：22.3％，弹性模量为73GPa。
上述方案中，本发明通过控制Li元素的含量和合金配比使得基体中同时存在α+β两相基体相，能够提高基体的强度、塑性和延展性。同时添加Al、Zn、Mn、Gd和Y等合金化元素，既能起到固溶强化的效果又能生成高模量的第二相，从而获得了同时具有高强度和高模量的双相镁锂合金。
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；同时与加入的Al元素能够生成细小弥散强化相Al2RE，从而提高镁锂合金的弹性模量，主要分布在晶界处，在塑性变形时可以对晶粒起到钉扎效果。
本发明通过同时添加Al和Zn，在镁锂合金中具有较大的固溶度，能够产生很好地固溶强化效果。同时加入这两种元素可以优势互补，提高合金的强度。在镁锂合金中也会生成MgLi2Al和MgLi2Zn合金化合物，从而提高合金的强度。同时添加少量Zn，在镁锂合金中也会生成具有高弹性模量的相，进一步提高镁锂合金的弹性模量和强度。
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、弹性模量难以提升以及收得率低的问题，制备工艺简单，生产成本低，而且经过简单的微合金化和热处理工艺即可获得高强度高模量双相镁锂合金。同时所制备的镁锂合金中Li元素的收得率高达99.9％。
本发明中所述高强度高模量双相的镁锂合金的性能：抗拉强度为320-450MPa，屈服强度为280-350MPa，延伸率为16％-35％，弹性模量为60-75GPa。
总之，本发明采用了微合金化和热处理相结合的方式，能够在控制双相镁锂合金的低密度的同时，协同提高双相镁锂合金的强度、延伸率和弹性模量，使得高抗拉强度、高屈服强度和高延伸率匹配效果优异，而弹性模量不低于60GPa。
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 (9)

1.一种高强度高模量双相的镁锂合金，其特征在于，所述高强度高模量双相的镁锂合金的化学成分按质量百分比例为：Gd：0.05-4wt.％，Al：0.5-5wt.％，Y：0.05-8wt.％，Li：5-10wt.％，Zn：0-5wt.％，Mn：0.05-4wt.％余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zn元素的含量选择不能为0，所述杂质中Si、Fe、Cu、Ni、Ca杂质总量小于0.03wt.％；
所述高强度高模量双相的镁锂合金的性能：密度为1.25-1.65g/cm3，抗拉强度为320-450MPa，屈服强度为280-350MPa，延伸率为16％-35％，弹性模量为60-75GPa。
2.根据权利要求1所述的高强度高模量双相的镁锂合金，其特征在于，所述高强度高模量双相的镁锂合金的组织结构为α相、β相、MgZn2、AlLi、Al8Mn5、Al2RE、Al11Mn14，其中的α相占比为20-60％，β相占比为50-80％，α相+β相的总占比不超过93％。
3.根据权利要求1-2任一所述的高强度高模量双相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、原料准备阶段
按照所述高强度高模量双相的镁锂合金中原料化学成分质量百分比将纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg-Li中间合金或纯Li、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Mn中间合金作为原料进行称量，并打磨表面氧化物；
S2、预热原料阶段
将步骤S1中称量好的原料、坩埚放入热处理炉中预热以烘干原料水分；
S3、热处理炉气氛调节
将步骤S2中预热好的原料按照熔点、氧化程度、密度、加入数量及易挥发程度的因素放入坩埚的不同位置并放入真空熔炼炉，并打开冷却系统，盖好炉盖，开始抽真空，待真空度达到10-3Pa，然后打开保护气体阀门，通入高纯氩气至炉内气体压力提高至0.5MPa以上；
S4、真空熔炼阶段
经过步骤S3后的热处理炉设置熔炼温度并开始升温熔炼，待镁锂合金原料完全熔化后保温，之后浇注成镁锂合金铸锭；
S5、真空管式炉气氛调节
将步骤S4中得到的镁锂合金铸锭放入真空管式炉中，打开真空泵，抽3次以上真空，待真空度达到10-3Pa，然后通入氩气保护气体，将氩气压力提高至0.5MPa以上；
S6、热处理阶段
经过步骤S5后的真空管式炉设置热处理温度，之后进行固溶时效热处理工艺，最终得到高强度高模量双相的镁锂合金。
4.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，Mg-Li、Mg-Gd、Mg-Y中间合金中的Li、Gd和Y含量均为20-50wt.％；Mg-Mn中间合金中的Mn含量为10-30wt.％。
5.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中预热温度为100-250℃，预热时间为0.5-3h。
6.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中坩埚的不同位置为Mg-Li中间合金或纯Li放入坩埚最上部。
7.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中升温熔炼采用梯度式加热方式。
8.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中真空熔炼阶段为：
S401、设置熔炼温度为680-800℃，加热功率为50％-100％；
S402、采用梯度式加热方式开始加热，直至原料完全熔化，并保温10-50min，自动搅拌10-30min；
S403、停止自动搅拌，然后开始降温，直至浇注温度，最后浇注得到镁锂合金铸锭。
9.根据权利要求3所述的高强度高模量双相的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中固溶时效热处理工艺为：将镁锂合金铸锭放置于真空管式炉中在300-500℃下进行固溶处理3-48h后，再进行水淬处理，然后将镁锂合金铸锭在50-250℃下时效处理5-48h。
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