CN107675053A - 一种高强度镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法，属于高强度合金及其制备技术领域。所述高强度镁锂合金，包括Li、Y、Zn、不可避免的杂质元素和Mg，所述Y与Zn的原子比大于1.32。所述高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，包括熔炼及浇铸、均匀化热处理、77K深冷处理、塑性成形加工等步骤。本申请提供的高强度镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法，通过同时添加Y和Zn元素，将Y和Zn元素固溶于镁锂合金基体中，并通过均匀化热处理、深冷处理、塑性变形加工在α‑Mg相中获得孪晶细化晶粒，在β‑Li相中自生获得层片状LPSO结构的X‑Mg12YZn相，起到了强化β‑Li相作用，从而强化合金。

Description

一种高强度镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法
技术领域
本发明涉及高强度合金及其制备技术领域，特别是一种具有低密度、高强度、高伸长率的镁锂合金，及镁锂合金利用深冷强化处理的制备方法。
背景技术
近年来能源问题成为全世界关注的焦点，轻量化成为现代交通工具及电子产业发展的趋势。在镁合金中添加锂元素(密度为0.53g/cm3)所形成的镁锂合金，其合金密度较常见的AZ、ZK系列镁合金密度更低(AZ、ZK系列镁合金的密度约为1.8～1.9g/cm3)，对轻量化有着积极的意义。镁锂合金除了低密度的优势之外，还具有高的比强度、比刚度和优良的抗震性能、良好的生物相容性以及抗高能粒子穿透能力，是航空、航天、兵器工业、核工业、汽车、3C产业、医疗器械等领域最理想并有着巨大发展潜力的结构材料之一。
当镁锂合金中的锂含量超过5.5wt％后，组织中可以获得bcc结构的富锂β-Li相，因此材料具有良好的室温变形能力和低密度等优势特征。同时，镁锂合金还具有切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，阻尼减震性好等常规镁合金的优点。因此，镁锂合金在军事、航空航天领域具有极为广阔的应用前景。
然而，镁中加入了金属元素锂后，由于组织中获得的富锂β-Li相本身强度很低，并且β-Li相的变形硬化强化效果更是非常有限，因此镁锂合金的拉伸强度指标往往很低，不能满足结构材料对力学性能的要求。现有文献资料分析可见，镁锂合金材料研究主要分为两类：一是，高强度类，UTS≥200MPa，伸长率δ<20％，不能轧制薄板；二是，高塑性类，伸长率δ≥20％，但强度不足。
因此，如何利用简单有效的工艺即提升镁锂合金的强度指标，又能保证镁锂合金的伸长率指标，满足室温塑性变形成形制备壳体类零件对材料强度和伸长率指标的要求，UTS≥150MPa，δ≥20％。这是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种高强度的Mg-Li-Y-Zn镁锂合金，其通过向镁锂基合金中加入一定质量的Y和Zn元素，并控制Y/Zn的原子比，通过一定的热处理，在镁锂基合金组织中自生获得LPSO长周期堆垛结构的X-Mg12YZn相，然后再经过77K深冷处理一定时间，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，使该合金不仅拥有较低的密度，而且具有优良的力学性能，解决了现有镁锂合金绝对强度低、可塑性差的问题，满足室温条件下UTS≥150MPa，δ≥20％的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种高强度镁锂合金。所述高强度镁锂合金，按质量百分比计，包括以下成分：Li 9.5～12％，Y 4～6％，Zn 1～4％，不可避免的杂质元素总量不超过0.02％，其余为Mg。
进一步地，所述Y与Zn的原子比大于1.32。
进一步地，所述杂质元素为Fe、Cu、Ni、Si中的一种或几种的混合物。
本发明的另一个目的在于提供一种上述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法。所述制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼及浇铸
本步骤在氩气保护条件下完成；
将预处理后的原材料依次放入容器内待熔化；待系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm时，开始加热、熔化各原材料；
当镁锂合金液温度达到700℃以上时，开启深入在镁锂合金液内的搅拌管，用氩气搅拌；
当镁锂合金液温度为740～760℃后，再搅拌10～15min，然后静置合金液10～15min并降温；
待镁锂合金液温度降为700～720℃时浇铸，得到镁锂合金铸锭；
(2)均匀化热处理
将所述镁锂合金铸锭在480～520℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理10～20h；以在组织中充分获得LPSO层片状结构；
(3)77K深冷处理
将完成均匀化处理的所述镁锂合金铸锭在77K温度下深冷处理20～120h；促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相；
(4)塑性成形加工
将完成深冷处理的所述镁锂合金在230～280℃进行塑性变形加工，以进一步细化基体晶粒，并根据需求加工成型，得到高强度镁锂合金。
优选地，所述步骤(1)中，原材料依次按照纯Mg锭、Mg-Y合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序加入到容器中。所述Mg-Y合金为Mg-30％Y(质量分数)中间合金；
优选地，所述步骤(1)中使用的容器为纯钛材质的熔化坩埚。
进一步地，所述步骤(1)中，浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部具有水冷的铜铸型，获得镁锂合金铸锭。
进一步地，所述步骤(1)中预处理包括表面除污、烘干和称重。
优选地，所述步骤(1)中，熔化各原材料前，抽真空至系统压力低于1×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.2～0.8atm，反复三次，最后系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm。
优选地，所述步骤(3)中，镁锂合金铸锭在77K的液氮中进行深冷处理。
本发明采用bcc结构的金属Li(锂)作为第一组分元素，Li的加入能够显著降低合金密度，同时可以在组织中获得β-Li相，因此可以改善合金塑性。当Li质量百分比含量为本申请所述的9.5～12％时，该合金组织为α-Mg和β-Li双相结构，此时该合金具有非常优异的塑性变形能力，但合金的强度非常有限；本发明采用Y 4～6％，Zn 1～4％，作为第二类组分，目的是能够在β-Li相晶粒中通过一定的均匀化热处理和77K深冷处理获得层片状LPSO结构的X-Mg12YZn相，以强化合金；77K深冷处理一定时间，还可以促进基体α-Mg相晶粒中获得孪晶，进一步细化晶粒。塑性变形加工以进一步细化基体晶粒，并可以将该合金通过挤压制成型材或通过轧制制成1mm以下超薄板材。
本发明具有的优点和积极效果是：
与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著进步为：
(1)本申请提供的镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法，通过同时添加Y和Zn元素，将Y和Zn元素固溶于镁锂合金基体中，并通过均匀化热处理、深冷处理、塑性变形加工在α-Mg相中获得孪晶细化晶粒，在β-Li相中自生获得层片状LPSO结构的X-Mg12YZn相，起到了强化β-Li相作用，从而强化合金；
(2)本申请提供的镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法，通过控制添加Y/Zn>1.32(原子比)，满足在均匀化热处理时能够弥散析出X-Mg12YZn相所需的成分条件；
(3)本申请提供的深冷强化处理的制备方法通过77K液氮中深冷处理20～120h，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相；
(4)本申请获得了具有低密度、高强度、伸长率≥20％，并能够满足室温塑性变形的要求的双相镁锂合金，特别满足轻质高强、高塑性材料的需求；
(5)本申请提供的制备方法，加工工序简单、方便，节约能源，降低成本。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本申请进行进一步的描述。
实施例1
一种高强度镁锂合金，成分按质量百分比计，包括以下组分：9.5％Li，4％Y，2％Zn，原材料带入杂质元素Fe、Cu和Ni控制总量不超过0.02％，其余为Mg。
该合金的深冷强化处理的制备方法为：
(1)熔炼及浇铸
本步骤的熔炼和浇铸工艺过程均在真空电阻炉氩气保护条件下完成。
熔炼过程采用的熔化坩埚为纯钛材质，将表面除污、烘干和称重后的原材料依次按照纯Mg锭、Mg-30％Y中间合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序放入坩埚内待熔化。
抽真空至系统压力为0.8×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.2atm，反复三次，最后系统内的氩气压力为0.5atm开始加热并熔化各原材料。
当镁合金液温度达到700℃以上时，开启深入在合金液内的Ar搅拌管，用氩气搅拌，当温度为760℃后再搅拌10min，然后静置合金液10min。
待合金液温度为720℃时浇铸。浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部水冷的铜铸型，获得镁锂合金(Mg-Li-Y-Zn)铸锭。
(2)均匀化热处理
将所述镁锂合金铸锭在480℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理12h，以在组织中充分获得X-Mg12YZn相，增强合金。
(3)77K深冷处理
将完成均匀化处理的所述镁锂合金在77K液氮中深冷处理20h，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相。
(4)塑性变形加工
将完成深冷处理的所述镁锂合金在230℃进行往复挤压大塑性变形加工4道次，以进一步细化基体晶粒，并将该合金通过挤压制成1mm的板材，再通过10道次230℃轧制制成0.2mm超薄板材。
本发明提供的镁锂合金，在室温下，其抗拉强度：248MPa，屈服强度为229MPa，伸长率为26％。
实施例2
一种高强度镁锂合金，成分按质量百分比计，包括以下组分：11％Li，5％Y，3％Zn，原料带入杂质元素Fe、Cu和Ni控制总量不超过0.02％，其余为Mg。
该合金的深冷强化处理的制备方法为：
(1)熔炼及浇铸
本步骤的熔炼和浇铸工艺过程均在真空电阻炉氩气保护条件下完成。
熔炼过程采用的熔化坩埚为纯钛材质，将表面除污、烘干和称重后的原材料依次按照纯Mg锭、Mg-30％Y中间合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序放入坩埚内待熔化。
抽真空至系统压力为0.5×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.3atm，反复三次，最后系统内的氩气压力为0.8atm开始加热并熔化各原材料。
当镁合金液温度达到700℃以上时，开启深入在合金液内的Ar搅拌管，用氩气搅拌，当温度为750℃后再搅拌12min，然后静置合金液12min。
待合金液温度为730℃时浇铸。浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部水冷的铜铸型，获得镁锂合金铸锭。
(2)均匀化热处理
将所述镁锂合金铸锭在500℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理14h，以在组织中充分获得X-Mg12YZn相，增强合金。
(3)77K深冷处理
将完成均匀化处理的所述镁锂合金在77K液氮中深冷处理60h，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相。
(4)塑性变形加工
将完成深冷处理的所述镁锂合金在260℃进行往复挤压大塑性变形加工4道次，以进一步细化基体晶粒，并将该合金在该温度直接挤压制成Φ10mm的型材。
本发明提供的镁锂合金，在室温下，其抗拉强度：233MPa，屈服强度为211MPa，伸长率为31％。
实施例3
一种高强度镁锂合金，成分按质量百分比计，包括以下组分：12％Li，6％Y，4％Zn，原料带入杂质元素Fe、Cu和Ni控制总量不超过0.02％，其余为Mg。
该合金的深冷强化处理的制备方法为：
(1)熔炼及浇铸
本步骤的熔炼和浇铸工艺过程均在真空电阻炉氩气保护条件下完成。
熔炼过程采用的熔化坩埚为纯钛材质，将表面除污、烘干和称重后的原材料依次按照纯Mg锭、Mg-30％Y中间合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序放入坩埚内待熔化。
抽真空至系统压力为0.2×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.8atm，反复三次，最后系统内的氩气压力为1atm开始加热并熔化各原材料。
当镁合金液温度达到700℃以上时，开启深入在合金液内的Ar搅拌管，用氩气搅拌，当温度为750℃后再搅拌15min，然后静置合金液15min。
待合金液温度为730℃时浇铸。浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部水冷的铜铸型，获得镁锂合金铸锭。
(2)均匀化热处理
将所述镁锂合金铸锭在520℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理20h，以在组织中充分获得X-Mg12YZn相，增强合金。
(3)77K深冷处理
将完成均匀化处理的所述镁锂合金在77K液氮中深冷处理120h，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相。
(4)塑性成形加工
将完成深冷处理的所述镁锂合金在280℃进行往复挤压4道次，以进一步细化基体晶粒，然后在250℃直接挤压制成Φ14mm的型材。
本发明提供的镁锂合金，在室温下，其抗拉强度：228MPa，屈服强度为229MPa，屈服强度为204MPa，伸长率为33％。
本申请提供的镁锂合金及其深冷强化处理的制备方法，通过控制添加Y/Zn>1.32，满足在均匀化热处理时能够弥散析出X-Mg12YZn相所需的成分条件；通过77K液氮中深冷处理20～120h，促进基体α-Mg相晶粒获得孪晶，进一步细化晶粒，并促进X相在基体β-Li相内的进一步弥散析出，以强化不能通过变形加工硬化强化的β-Li相；本申请获得了具有低密度、高强度、伸长率≥20％，并能够满足室温塑性变形的要求的双相镁锂合金，特别满足轻质高强、高塑性材料的需求。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度镁锂合金，其特征在于：按质量百分比计，包括以下成分：Li 9.5～12％，Y 4～6％，Zn 1～4％，不可避免的杂质元素总量不超过0.02％，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的高强度镁锂合金，其特征在于：所述Y与Zn的原子比大于1.32。
3.根据权利要求1所述的高强度镁锂合金，其特征在于：所述杂质元素为Fe、Cu、Ni、Si中的一种或几种的混合物。
4.一种如权利要求1-3任一所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)熔炼及浇铸
本步骤在氩气保护条件下完成；
将预处理后的原材料依次放入容器内待熔化；待系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm时，开始加热、熔化各原材料；
当镁锂合金液温度达到700℃以上时，开启深入在镁锂合金液内的搅拌管，用氩气搅拌；
当镁锂合金液温度为740～760℃后，再搅拌10～15min，然后静置合金液10～15min并降温；
待镁锂合金液温度降为700～720℃时浇铸，得到镁锂合金铸锭；
(2)均匀化热处理
将所述镁锂合金铸锭在480～520℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理10～20h；
(3)77K深冷处理
将完成均匀化处理的所述镁锂合金铸锭在77K温度下深冷处理20～120h；
(4)塑性成形加工
将完成深冷处理的所述镁锂合金在230～280℃进行塑性变形加工，并根据需求加工成型，得到高强度镁锂合金。
5.根据权利要求4所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，原材料依次按照纯Mg锭、Mg-Y合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序加入到容器中；
所述Mg-Y合金为Mg-30％Y(质量分数)中间合金。
6.根据权利要求4或5所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中使用的容器为纯钛材质的熔化坩埚。
7.根据权利要求6所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部具有水冷的铜铸型，获得镁锂合金铸锭。
8.根据权利要求4所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中预处理包括表面除污、烘干和称重。
9.根据权利要求4所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，熔化各原材料前，抽真空至系统压力低于1×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.2～0.8atm，反复三次，最后系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm。
10.根据权利要求4所述的高强度镁锂合金的深冷强化处理的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，镁锂合金铸锭在77K的液氮中进行深冷处理。
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