CN108456813B - 一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金及其热处理方法 - Google Patents

一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Mg‑Li‑Al‑Zn‑Y系铸造镁锂合金及其热处理方法，所述镁锂合金包含如下质量百分比的各组分：Li 5～10％，Al 2～4％，Zn 1～3％，Y 1～2％，Zr 0.2～0.8％，Ti 0～0.05％，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明引入Al和Y形成Al2Y耐热强化相，可显著提高镁锂合金强度和热稳定性，同时加Zn可促进固溶强化，加入微量Zr和Ti起细化晶粒作用。本发明还涉及前述的镁锂合金的热处理方法，包括双级固溶处理和时效处理，步骤如下：280～420℃条件下固溶2～8h，然后在200～270℃条件下固溶0～16h，水冷；最后在50～150℃条件下时效0～40h，空冷。本发明工艺简单，可应用于航空、航天。军工、电子等多领域。

Description

一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金及其热处理方法
技术领域
本发明涉及一种金属结构材料领域的镁锂合金及其热处理方法，具体地说，涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金及其热处理方法。
背景技术
镁锂合金是当前密度最小的金属结构材料，比普通镁合金轻1/4～1/3，比铝合金轻1/3～1/2，因此也被称为超轻合金。镁锂合金具有众多优点，如较高的比强度、比刚度、优良的抗震性能、良好的电磁屏蔽能力和切削加工能力等，是航天航空、兵器工业、汽车、3C产业、医疗器械等领域理想的结构材料之一。
镁锂合金的绝对强度低是制约镁锂合金应用的重要原因之一，随着Li的持续加入，该现象更为明显。这在一定程度上阻碍了镁锂合金的发展。微合金化是提升镁锂合金力学性能的重要方法之一。Al和Zn是镁锂合金中最常见的合金强化元素，在合金内具有较高的固溶度，具有较强的固溶强化效果。其中Al的密度与Mg相差不大，对于合金的密度提升不明显，添加少量Al能显著提高合金强度，但同时会牺牲延伸率，当Al含量高于6wt％时，此现象更为明显；Zn元素能提供有效的固溶强化效果，同时对镁锂合金延伸率的影响较小，但Zn的密度远高于Mg，加入过多易削弱镁锂合金的轻质化效果。因此，在镁锂合金化过程中，一般将Al和Zn同时作为合金化元素加入，充分发挥其各自的优势。稀土作为中国的优势资源，在镁合金强化中具有良好的效果。微量稀土元素Y添加到镁锂合金中形成稳定的第二相，可提高合金的强度和热稳定性。从而Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金热处理也是提高合金力学性能的有效手段。而已有的镁锂合金热处理工艺研究显示镁锂合金会产生时效软化现象，而对铸态合金进行固溶热处理，会大幅度牺牲合金的延伸率。并且查阅已有的镁锂合金相关专利可以发现，镁锂合金的热处理相关专利较少。许道奎等公开了《一种抑制准晶强化镁锂合金塑性失稳的热处理工艺》(公开号CN104131247A)，将变形态镁锂合金用铝箔包裹严密，在330～470℃固溶，保温4～8h，水淬冷却至室温，在100～200℃下时效12～24h，再水淬冷却至室温。周果君等公开了《一种LA91镁锂合金冷轧及轧后热处理工艺》(公开号CN105239030A)。然而以上两个专利均针对变形镁锂合金的热处理。但对于铸造镁锂合金，尚未有热处理工艺方面的专利报道。因而急需针对铸造镁锂合金的热处理工艺进行研究，这对于高强铸造镁锂合金的开发具有重要意义。
发明内容
针对已有镁锂合金热处理工艺中存在的问题，本发明提供一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金及其热处理方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，其包括按质量百分数计的如下元素：锂：5～10％、铝：2～4％、锌：1～3％、钇：1～2％、锆：0.2～0.8％、钛：0～0.05％，余量为镁和不可避免的杂质。
作为优选方案，所述杂质的总质量百分数不超过0.03％。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的热处理方法，其包括如下步骤：
利用浇铸的方法制备镁锂合金铸锭；
将所述镁锂合金铸锭进行双级固溶热处理，水冷后，进行时效热处理，空冷。
作为优选方案，所述镁锂合金铸锭的浇铸方法具体包括如下操作：
将Mg-Li-Al-Zn-Y系合金的各组分配比后，熔化、升温到660～720℃，机械搅拌2～7min，静置保温3～10min，浇铸即可。
作为优选方案，所述双级固溶热处理的具体操作为：先将镁锂合金铸锭在280～420℃下固溶2～8h后，再在200～270℃下固溶0～16h。
作为优选方案，所述时效热处理的具体操作为：将镁锂合金铸锭在50～150℃下时效0～40h。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明涉及的Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，通过引入Al和Y形成Al2Y耐热强化相，提高镁锂合金强度和热稳定性，同时加Zn促进固溶强化进一步提高合金的力学性能，加入微量Zr和Ti起细化晶粒作用，从而优化铸态合金组织和性能；
2、本发明涉及的热处理方法，与现有的只进行固溶热处理或者时效热处理的工艺相比，双级固溶加时效的热处理工艺使得在保持合金延伸率基本不变的前提下，大幅度提高了合金的强度，从而获得兼具高强度和较好塑性的超轻镁锂合金材料。对于高强镁锂合金的开发的应用具有重要的意义；
3、使用该热处理方法处理后该Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的强度高于270MPa，延伸率大于10％，其强度较高，与铸造镁稀土合金相当。可应用于航空航天军工3C产品等多领域，满足多种应用场合的需要。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为铸态Mg-Li-Al-Zn-Y系镁锂合金(实施例1)的金相组织照片；
图2为本发明热处理方法(双级固溶加时效热处理)得到的Mg-Li-Al-Zn-Y系镁锂合金(实施例1)的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，所述合金包含如下质量百分比的各组分：Li 8％，Al 3％,Zn 2.2％，Y 1％，Zr 0.5％，Ti 0.03％，余量为Mg和不可避免的杂质。在熔剂或气体保护下将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金各组分配比熔化后升温到700℃，机械搅拌5min，静置保温6min，浇铸即可。在铸态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
本实施例还涉及前述的一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的热处理方法：所述方法包括如下步骤：步骤1，将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金在气体保护氛围下双级固溶处理，350℃条件下固溶4h，然后在230℃条件下固溶2h，水冷。步骤2，时效热处理，在75℃条件下时效4h，空冷。在T6态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：140MPa，抗拉强度：184MPa，延伸率：14.7％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：223MPa，抗拉强度：279MPa，延伸率：11.1％。
实施例2
本实施例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，所述合金包含如下质量百分比的各组分：Li 5％，Al 2％,Zn 1％，Y 1.3％，Zr 0.2％，Ti 0.05％，余量为Mg和不可避免的杂质。在熔剂或气体保护下将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金各组分配比熔化后升温到700℃，机械搅拌5min，静置保温6min，浇铸即可。在铸态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
本实施例还涉及前述的一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的热处理方法：所述方法包括如下步骤：步骤1，将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金在气体保护氛围下双级固溶处理，350℃条件下固溶4h，然后在230℃条件下固溶2h，水冷。步骤2，时效热处理，在75℃条件下时效4h，空冷。在T6态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：136MPa，抗拉强度：175MPa，延伸率：12.1％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：213MPa，抗拉强度：272MPa，延伸率：10.5％。
实施例3
本实施例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，所述合金包含如下质量百分比的各组分：Li 10％，Al 4％，Zn 3％，Y 2％，Zr 0.8％，Ti 0.01％，余量为Mg和不可避免的杂质。在熔剂或气体保护下将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金各组分配比熔化后升温到700℃，机械搅拌5min，静置保温6min，浇铸即可。在铸态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
本实施例还涉及前述的一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的热处理方法：所述方法包括如下步骤：步骤1，将Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金在气体保护氛围下双级固溶处理，350℃条件下固溶4h，然后在230℃条件下固溶2h，水冷。步骤2，时效热处理，在75℃条件下时效4h，空冷。在T6态合金上取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：155MPa，抗拉强度：193MPa，延伸率：13.6％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：218MPa，抗拉强度：282MPa，延伸率：10.5％。
从Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金铸态和T6态的力学性能可知，铸态下合金的强度较低小于200MPa。经过双级固溶加时效热处理后，该Mg-Li-Al-Zn-Y系镁锂合金的强度相比于铸态大幅度提高，同时延伸率大于10％。从而得到一种提升Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金强度的有效热处理方法。
对比例1
本对比例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，其组分与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中Li含量为3wt.％。所述热处理方法与实施例1相同。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：143MPa，抗拉强度：187MPa，延伸率：8％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：227MPa，抗拉强度：282MPa，延伸率：5％。
由于Li含量过低，导致该合金的铸态和T6态延伸率均较低。
对比例2
本对比例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，其组分与实施例2基本相同，不同之处仅在于：本对比例中不含Al元素。所述热处理方法与实施例2相同。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：116MPa，抗拉强度：153MPa，延伸率：13.5％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：189MPa，抗拉强度：247MPa，延伸率：11.3％。
由于该镁锂合金中未含有Al元素，从而未能形成Al2Y强化相，导致合金强度偏低。
对比例3
本对比例涉及一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，其组分与实施例3相同。所述热处理方法与实施例3基本相同，不同之处仅在于：双级固溶中，第一级固溶温度为250℃。
该铸态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：155MPa，抗拉强度：193MPa，延伸率：13.6％。
该T6态Mg-Li-Al-Zn-Y-Zr-Ti镁锂合金的室温力学性能为：
屈服强度：185MPa，抗拉强度：254MPa，延伸率：11.6％。
由于固溶温度偏低，导致该合金固溶强化作用不明显，合金T6态强度偏低。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用浇铸的方法制备镁锂合金铸锭；
将所述镁锂合金铸锭进行双级固溶热处理，水冷后，进行时效热处理，空冷；
所述Mg-Li-Al-Zn-Y系铸造镁锂合金，包括按质量百分数计的如下元素：锂：5～10％、铝：2～4％、锌：1～3％、钇：1～2％、锆：0 .2～0 .8％、钛：0.01～0 .05％，余量为镁和不可避免的杂质，所述杂质的总质量百分数不超过0 .03％；
其中，所述镁锂合金铸锭的浇铸方法具体包括如下操作：将Mg-Li-Al-Zn-Y系合金的各组分配比后，熔化、升温到660～720℃，机械搅拌2～7min，静置保温3～10min，浇铸即可；
所述双级固溶热处理的具体操作为：先将镁锂合金铸锭在350℃下固溶2～8h后，再在200～270℃下固溶2～16h；
所述时效热处理的具体操作为：将镁锂合金铸锭在50～150℃下时效4~40h。
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