CN107858570A

CN107858570A - 一种具有阻燃性的Mg‑Li‑Nb合金及其加工工艺

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Publication number: CN107858570A
Application number: CN201710912176.8A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明公开了一种在680‑780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg‑Li‑Nb合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为：Li:10.0‑18.0wt.%,Nb:2.0‑4.0wt.%,Al:1.0‑5.0wt.%,Ca:2.0‑6.0wt.%,Sr:1.0‑4.0wt.%,Mn:0.2‑0.6wt.%,Dy:0.1‑0.2wt.%,Er:0.2‑0.4wt.%,B:0.8‑2.0wt.%，S:0.5‑2.4wt.%，余量为镁。本发明针对目前高温下镁锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。通过筛选合金元素来改变熔体表面生成的氧化膜和氮化膜的类型，成分和含量，在镁锂熔体表面形成一层结构致密持久的保护膜。能够明显提高镁锂合金的起燃温度，并有效地防止在大气状态下熔炼镁锂合金发生燃烧现象。所得镁锂合金材料具有传统镁锂合金室温下的力学性能，并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为100‑120MPa，而传统材料在150度下，屈服强度为65MPa左右。

Description

一种具有阻燃性的Mg-Li-Nb合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镁锂合金。

背景技术

镁的密度为1.738g/cm³，锂的密度为0.534g/cm³。锂加入镁便形成了镁锂合金，且该合金的密度一般为1.25-1.60g/cm³。作为最轻的金属结构材料，镁锂合金具有很高的比强度、比刚度，且易变形加工和回收再利用。这些优点赋予了镁锂合金21世纪绿色金属材料的美誉，使之成为航空、航天、国防、核工业、汽车制造、医疗器械等领域中非常理想的结构材料。由于锂含量的不同，镁锂合金的内在组织结构也不同。当锂含量小于5.7wt.%时，镁锂合金由密排六方结构的α单相组织组成;当锂含量大于10.3wt.%时，镁锂合金由体心立方结构的β单相组织组成;当锂含量在5.7-10.3wt.%之间时，镁锂合金具有α+β双相组织。该双相组织的镁锂合金在保持较高强度的同时，具有良好的塑性，在特定条件下能表现出一定的超塑性。

随着世界范围内能源短缺，很多工业领域对轻量化材料和器件的需求极为迫切。镁锂合金材料因其与铝合金比能够减重40-50%，与一般镁合金比能够减重20-30%，在降低卫星结构系统质量，提高卫星承载能力上取得了显著成效。镁锂合金作为最轻的金属结构材料具有弹性模量高，抗压屈服强度高，塑韧性好和抗高能粒子穿透能力强等优点。在当今世界对结构件轻量化、减重节能、环保以及可持续发展要求日益提高的背景下，镁锂合金是航天、航空、兵器工业、核工业、汽车和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。

镁锂合金在熔炼和成型过程中极易发生的氧化、燃烧甚至爆炸。目前较成熟的阻燃方法是熔剂保护法与气体保护法。但是，这两种方法都有其难以避免的缺陷，如产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。此外，熔炼浇注设备和工艺复杂，加大了成本。解决镁锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向镁锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。

合金化阻燃法其机理是在镁锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且镁锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高镁锂合金的加工安全性。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的镁锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用镁锂合金的力学性能水平。一般采用加入足量Be和Ca来显著提高镁锂合金的抗氧化性能，但是由于Be的剧毒性及足量的Be和Ca会严重损害镁合金的机械性能等原因限制了含Be和Ca镁合金的工业化应用。

本发明提供了一种具有在680-780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Nb镁锂合金，且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有镁锂合金的力学性能，和良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能。同时，该抗燃烧Mg-Li-Nb镁锂合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造，特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。Mg-Li-Nb镁锂合金具有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有阻燃性的Mg-Li-Nb镁锂合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在680-780度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Nb镁锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 10.0-18.0wt.%,Nb:2.0-4.0wt.%,Al:1.0-5.0wt.%, Ca: 2.0-6.0wt.%, Sr:1.0-4.0wt.%,Mn:0.2-0.6wt.%,Dy:0.1-0.2wt.%,Er:0.2-0.4wt.%, B: 0.8-2.0wt.%，S: 0.5-2.4wt.%，余量为镁。该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-4.0wt.%左右。

上述镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到680-780度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在680-780度保温静置10分钟后浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为15-20%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：210度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理380度，4.5小时；真空时效处理170度，0.9小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前高温下镁锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，来改变熔体表面生成的氧化膜和氮化膜的类型，成分和含量，从而有效地防止在熔炼状态下镁锂合金发生燃烧现象进行烧损。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果，在阻燃元素含量明显降低的同时，合金燃点却大幅上升。

（2）合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的Mg-Li-Nb镁锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在680-780温度范围内在大气环境下保温和静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的氧化燃烧。所得合金表面氧化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氧气侵入合金液内。

（3）该Mg-Li-Nb镁锂合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。

（4）该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为50-70GPa，屈服强度为90-120MPa，抗拉强度为140-160MPa，延伸率为6-18%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为100-120MPa，而传统镁锂合金在150度下，屈服强度为65MPa左右。

（5）该Mg-Li-Nb镁锂合金在680-780度之间进行搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且该镁锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

（6）冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备的要求。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。本发明可用于制造在使用温度为100度以下结构件并具有极其显著的轻量化效果。

具体实施方式

实施例1

一种具有710度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Nb镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:12.4wt.%,Nb:2.3wt.%,Al:1.8wt.%,Ca:2.6wt.%,Sr:3.6wt.%,Mn:0.4wt.%,Dy:0.1wt.%,Er:0.2wt.%, B: 0.9wt.%，S: 1.2wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到710度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在710度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为16%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：210度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理380度，4.5小时；真空时效处理170度，0.9小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为52GPa，屈服强度为110MPa，抗拉强度为149MPa，延伸率为8%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为104MPa，而传统镁锂合金在150度下，屈服强度为65MPa左右。该合金在710度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.5wt.%左右。

实施例2

一种具有750度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Nb镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 12.8wt.%,Nb:2.6wt.%,Al:3.5wt.%,Ca:4.6wt.%,Sr:1.5wt.%,Mn:0.2wt.%,Dy:0.1wt.%,Er:0.3wt.%, B: 0.9wt.%，S: 1.2wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到750度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在750度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为18%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：210度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理380度，4.5小时；真空时效处理170度，0.9小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为64GPa，屈服强度为107MPa，抗拉强度为151MPa，延伸率为11%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为104MPa，而传统镁锂合金在150度下，屈服强度为65MPa左右。该合金在750度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.8wt.%左右。

实施例3

一种具有700度熔炼时抗燃烧性的Mg-Li-Nb镁锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li: 11.4wt.%,Nb:3.1wt.%,Al:2.4wt.%,Ca:2.9wt.%,Sr:2.6wt.%,Mn:0.4wt.%,Dy:0.1wt.%,Er:0.2wt.%, B: 1.4wt.%，S: 1.2wt.%，余量为镁。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到700度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在700度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为16%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：210度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理380度，4.5小时；真空时效处理170度，0.9小时。该材料具有传统镁锂合金的力学性能：弹性模量为53GPa，屈服强度为95MPa，抗拉强度为141MPa，延伸率为9%。并具有传统镁锂合金不具备的高温力学性能：在150度下，屈服强度为102MPa，而传统镁锂合金在150度下，屈服强度为65MPa左右。该合金在700度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.2wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Mg-Li-Nb镁锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:10.0-18.0wt.%,Nb:2.0-4.0wt.%,Al:1.0-5.0wt.%,Ca:2.0-6.0wt.%,Sr:1.0-4.0wt.%,Mn:0.2-0.6wt.%,Dy:0.1-0.2wt.%,Er:0.2-0.4wt.%, B: 0.8-2.0wt.%，S: 0.5-2.4wt.%，余量为镁。

2.根据权利要求1所述Mg-Li-Nb镁锂合金的制备方法，其特征在于合金的熔炼方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到680-780度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在680-780度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。

3.根据权利要求1所述Mg-Li-Nb镁锂合金的制备方法，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为15-20%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：210度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理380度，4.5小时；真空时效处理170度，0.9小时。