CN107541626A

CN107541626A - 一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金及其制备方法

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Publication number: CN107541626A
Application number: CN201710965058.3A
Authority: CN
Inventors: 葛大梁; 吴国清; 王李强; 黄清源
Original assignee: JIANGSU LIMEI AVIATION MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: JIANGSU LIMEI AVIATION MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明提供了一种多元微合金晶粒细化型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：9~16%Li，0.5~4%Al，0.25~1%Y，0~0.5%Nd，0~0.25%Gd，0~0.15%Zr，余量为Mg，其中Y、Nd、Gd和Zr是以复合块体形式加入。本发明所涉及镁锂合金制备方法为：在有气氛保护的熔炼炉内将镁锭加热融化后，于680℃左右加入纯锂锭和铝，待锂锭和铝完全熔化后加入复合块体，搅拌15min后进行浇铸，得到所述镁锂合金。本发明的镁锂合金是一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，其晶粒细小且均匀，具有良好的强度和塑性，机械加工性能优秀。

Description

一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，特别涉及一种添加复合块体的多元微合金晶粒细化型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，新型高强度，低密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。

因为LA141具有优异的加工变形性能和很低的密度，所以是目前应用最为广泛的镁锂合金牌号之一。但是由于镁锂合金较低的力学性能，制约了其工业应用范围，影响了镁锂合金的发展。在提高材料力学性能方面，目前采用较多的方法有直接通过添加大量的合金元素或者变形处理来进行细晶强化等方法，但是这些方法都不可避免的对材料的密度和塑性产生较大的影响，而这正是镁锂合金最大的特点，另一种使用快速凝固-粉末冶金的方法来细化晶粒以达到提高力学强度和塑性的方法，因为其当前成本太高而无法进行工业化推广。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种使LA141镁锂合金多元微合金化并达到细化晶粒的目的，以实现增加材料强度的同时并不对塑性和密度形成较大影响的方法。所述方法在制备LA141时，添加复合块体，所得的多元微合金化LA141镁锂合金晶粒组织细小均匀，具有较好的强度、塑性和较小的密度，对后续工业应用有好的扩展。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，合金组分及其质量百分比为9~16%Li，0.5~4%Al，0.25~1%Y，0~0.5%Nd，0~0.25%Gd，0~0.25%Zr，余量为Mg，其中Y、Nd、Gd和Zr是以复合块体形式加入。

优选的，合金组分及其质量百分比为14%Li，1%Al，0.66%Y，0.33%Nd，0.17%Gd，0.08%Zr，余量为Mg。

优选的，复合块体是经过熔炼-制粉压块后加入到熔体中的。

本发明提供了上述镁锂合金的制备方法，所述制备方法至少包括复合块体的制备、合金熔炼和热处理三个工艺。其中，所述复合块体制备工艺至少包括以下步骤：

(1)按材料组分及其质量百分比称取Mg，Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd，Mg-Zr中间合金，将材料在300℃进行烘干；

(2)将镁锭放入有氩气保护的真空感应熔炼炉中进行熔化，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入保护气体氩气，然后开始加热；

(3)镁锭融化后，将熔体温度控制在780℃，依次加入Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd，Mg-Zr中间合金，待坩埚内材料完全熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为300 r/min，时间为20min；

(4)将步骤(3)所得熔体撇去浮渣后，熔体浇铸到金属模具内，得到多元中间合金；

(5)使用压机对多元中间合金进行逐级破碎，高速速度为300mm/min，低速速度为200mm/min，压力由20MPa逐渐减小到10MPa，时间为5s；

(6)得到的材料通过20目筛网，然后进行真空球磨，球磨自转速度350r/min，公转速度1.5r/min，时间3h；

(7)将得到的材料颗粒使用震动筛过300目筛网，然后放入酒精助溶剂中进行砂磨，压力20MPa左右，时间1h；

(8)将得到的材料粉末烘干，再进行球磨，球磨自转速度350r/min，公转速度1.5r/min，时间6h，控制合金粉末粒径在20μm以下；

(9)使用压饼机将得到的合金粉末压块，得到所述的复合块体。

熔炼工艺至少包括以下步骤：

(1)按材料组分及其质量百分比称取Mg、Li、Al和复合块体，将材料在250℃左右进行烘干；

(2)将镁锭放入有氩气保护的真空感应熔炼炉中进行熔化，在熔炼开始前，将炉内气氛抽至1Pa以下，然后向炉内充入保护气体氩气，然后开始加热，坩埚温度控制为700℃；

(3)镁锭熔化后，将熔体温度控制在680℃左右，然后加入锂锭和铝锭；

(4)待锂锭和铝锭完全熔化后，向熔体中加入复合块体；

(5)将温度升至690℃左右，待坩埚内材料完全熔化后，对熔体进行搅拌，搅拌速度200r/min，时间15min；

(6)将步骤(5)所得熔体撇去浮渣后，进行浇铸，得到所述镁锂合金铸锭。

热处理工序：将所得镁锂合金铸锭在250~350℃环境中进行12~24小时均匀化处理。

本发明所提供的一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金及其制备方法的技术特点是：9%-16%的锂含量保证了镁锂合金1.30~1.56g/cm³的低密度优势，同时高锂含量使得合金处于α+β或β单相区，合金延伸率提高，但是强度降低。在保证低密度优势的条件下，尽量降低高密度合金元素的添加，同时通过添加复合块体加入合金元素的方法，大幅度提高了合金元素在基体中分布的均匀性，避免了合金元素发生团聚、沉淀等问题。合金元素的Y、Nd、Gd、Zr的加入形成了Al-Y、Al-Nd、Mg-Gd及Mg-Zr相，这些相在晶界形成，可以阻碍位错运动和滑移，晶粒的长大，同时提高了变形抗力，进而提升了合金的强度。本发明所提供的一种多元微合金晶粒细化型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，同时材料的强度和塑性都有显著的提升，后续加工性能良好，生产工艺操作方便、安全。

附图说明

图1为LA141镁锂合金铸态组织照片；

图2为本发明实施例1所制备镁锂合金铸态组织照片；

图3为本发明实施例2所制备镁锂合金铸态组织照片；

图4为本发明实施例3所制备镁锂合金铸态组织照片；

图5为本发明实施例4所制备镁锂合金铸态组织照片。

具体实施方式

本发明通过向LA141镁锂合金中加入少量的复合块体，使材料多元微合金化，在保证合金低密度的优势条件下达到细化晶粒并提高材料力学性能和塑性的效果。本发明所述镁锂合金在有气氛保护的熔炼炉中进行熔炼，合金中各组分质量分数为9~16%Li，0.5~4%Al，0.25~1%Y，0~0.5%Nd，0~0.25%Gd，0~0.25%Zr，余量为Mg，其中Y、Nd、Gd和Zr是以复合块体形式加入。

本发明所述镁锂合金制备方法包括制粉、熔炼和热处理三个工艺，所用复合块体制备工艺步骤如下：

(5)使用压机对步骤(4)所得多元中间合金进行逐级破碎，高速速度为300mm/min，低速速度为200mm/min，压力由20MPa逐渐减小到10MPa，时间为5s；

(8)将得到的材料粉末烘干，再进行球磨，球磨自转速度350r/min，公转速度1.5r/min，时间6h，控制多元中间合金颗粒大小≤20μm；

(9)使用压饼机将得到的材料压块得到复合块体。

合金熔炼工序是在氩气保护下进行，下面通过实施例对本发明熔炼和热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：

一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，其组分质量百分比为：14%Li，1%Al，0.22%Y，0.11%Nd，0.06%Gd，0.03%Zr，余量为Mg。该镁锂合金的熔炼是在Ar气保护下进行，步骤如下：

(1)按材料组分及其质量百分比称取Mg、Li、Al和复合块体，其中复合块体是经过熔炼-制粉-压块后使用，将材料在250°C左右环境中放置1h进行烘干；

(2)将镁锭放入有Ar气气氛保护的熔炼炉中进行加热，设定温度为700℃；

(3)待镁锭熔化后，将熔体温度控制在680℃左右，然后加入锂锭和铝锭。锂锭熔化时会吸收大量热量，所以要分批次逐渐加入，待加入的锂锭完全熔化，熔体温度重新回到680℃左右，继续重复加料操作直到锂锭和铝锭完全加入；

(4)待锂锭和铝锭完全熔化后，控制熔体温度在680℃左右，向熔体中加入使用铝箔包裹的复合块体；

(5)将熔体温度升至690℃左右，待坩埚内材料完全熔化后，对熔体进行搅拌，搅拌速度200r/min，时间15min；

热处理工序：将所得镁锂合金铸锭在300℃环境中进行12小时均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到多元微合金晶粒细化型镁锂合金。

所得的该多元微合金晶粒细化型镁锂合金在室温下，晶粒度为130μm，维氏硬度为54HV，抗拉强度为132MPa，屈服强度为122MPa，延伸率为23%。

实施例2：

一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，其组分质量百分比为：14%Li，1%Al，0.44%Y，0.22%Nd，0.11%Gd，0.06%Zr，余量为Mg。该镁锂合金的熔炼是在Ar气保护下进行，步骤如下：

(1)按材料组分及其质量百分比称取Mg、Li、Al和复合块体，其中复合块体是经过熔炼-制粉-压块后使用，将材料在250℃左右环境中放置1h进行烘干；

所得的该多元微合金晶粒细化型镁锂合金在室温下，晶粒度为55μm，维氏硬度为57HV，抗拉强度为140MPa，屈服强度为130MPa，延伸率为18%。

实施例3：

一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，其组分质量百分比为：14%Li，1%Al，0.66%Y，0.33%Nd，0.17%Gd，0.08%Zr，余量为Mg。该镁锂合金的熔炼是在Ar气保护下进行，步骤如下：

(3)待镁锭熔化后，将熔体温度控制在680℃左右，然后加入锂锭和铝锭。锂锭熔化时会吸收大量热量，所以要分批次逐渐加入，待加入的锂锭完全熔化，熔体温度重新回到680°C左右，继续重复加料操作直到锂锭和铝锭完全加入；

所得的该多元微合金晶粒细化型镁锂合金在室温下，晶粒度为57μm，维氏硬度为59HV，抗拉强度为157MPa，屈服强度为145MPa，延伸率为16%。

实施例4：

一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金，其组分质量百分比为：14%Li，1%Al，0.84%Y，0.42%Nd，0.21%Gd，0.1%Zr，余量为Mg。该镁锂合金的熔炼是在Ar气保护下进行，步骤如下：

所得的该多元微合金晶粒细化型镁锂合金在室温下，晶粒度为60μm，维氏硬度为60HV，抗拉强度为149MPa，屈服强度为137MPa，延伸率为13%。

Claims

1.一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征包括以下步骤：

步骤1：所述镁锂合金组分及其质量百分比为9~16%Li，0.5~4%Al，0.25~1%Y，0~0.5%Nd，0~0.25%Gd，0~0.25%Zr，余量为Mg；

步骤2：按组分及其质量百分比将一定量的Mg、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Gd、Mg-Zr中间合金在氩气气氛保护，坩埚温度为780℃的熔炼炉中熔化浇铸成合金，然后将合金制粉压块成复合块体；

步骤3：在有气氛保护的熔炼炉中，按照Mg-Li-复合块体的顺序加入熔化；

步骤4：待完全熔化后搅拌15min，静置扒渣；

步骤5：将熔体浇铸到准备好的模具中，得到镁锂合金铸锭；

步骤6：将镁锂合金铸锭进行均匀化处理，得到所述镁锂合金。

2.根据权利要求1所述的多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征在于步骤1所述Y、Nd、Gd和Zr是以复合块体形式加入。

3.根据权利要求1所述的多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征在于步骤1所述镁锂合金各组分质量百分比为：9~16%Li，0.5~4%Al，0.25~1%Y，0~0.5%Nd，0~0.25%Gd，0~0.25%Zr，余量为Mg。

4.根据权利要求1所述的多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征在于步骤1所述Mg、Li、Al、MgY、MgNd、MgGd、MgZr的纯度均≥99.95%。

5.根据权利要求1所述的多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征在于步骤6所述的均匀化处理是在300~350°C下进行。

6.根据权利要求1所述的多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述复合块体粉末粒径≤20μm。