CN108642357A - 一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金及其制备方法；包括如下质量百分比的各组分：11～16wt.％Li，2～7wt.％Al，0.1～2wt.％Y，1～3wt.％Mn，0～1wt.％Nd，余量为Mg和不可避免的杂质，所述杂质为总量小于0.02wt％的Si、Fe、Cu和Ni中的一种或几种。所述镁锂合金的制备方法包括熔炼和热处理两个阶段，其中，熔炼阶段在保护气氛下进行。本发明向镁锂合金加入Al和Y，可在基体中析出高温稳定强化相Al2Y，同时引入Mn元素可有效改善合金的时效软化和热裂倾向，引入Nd元素能有效细化晶粒并形成Al2Nd稳定相进一步提高合金综合力学性能，再经后续固溶热处理后获得具有低密度、高强度的镁锂合金。

Description

一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种镁锂合金，尤其是涉及一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn合金及其制备方法。
背景技术
现代工业对超轻高强结构材料的需求越来越迫切，镁锂合金作为最轻的金属结构材料也越来越受到广泛的关注。镁锂合金的密度一般为1.20～1.65g/cm3，比普通镁合金轻1/4～1/3，约为铝合金的1/2，同时具有高比强度、比刚度，良好的电磁屏蔽性能和机械加工性能，因此镁锂合金被广泛应用在军事、航空航天以及电子产品等领域。但是镁锂合金强度很低，限制了它在工程应用上的推广，所以开发出新型高强度镁锂合金具有非常重要的价值。
现阶段的研究主要是向镁锂合金中添加Al、Zn等合金元素起到固溶强化的作用，形成增强的Mg-Li-Al基、Mg-Li-Zn基或Mg-Li-Al-Zn基等合金，已开发出的合金牌号主要有LA141、LA143、LAZ931等。由于这些元素在镁锂合金中的固溶度有限，所以对于镁锂合金强度的提高也有限。
稀土是镁合金有效的强化元素，研究表明，Gd、Y等重稀土对镁合金的强化作用更为明显，研究者们已开发出一系列以Gd、Y为主要合金元素的高强度镁合金。乐启炽等公开了《一种高强超轻两相结构镁锂合金板材及其制备方法》(公开号CN106834843A)，其成分质量百分比为Li：5.7～10.0％，Al：2.5～3.5％，Zn：1.2～2.0％，Y：0.1～0.3％，余量为Mg及杂质，密度为1.50～1.60g/cm3，均匀化处理后往复温轧使抗拉强度≥270MPa。张密林等公开了《一种长周期结构相增强的镁锂合金》(公开号CN103122431A)，合金成分的质量百分含量为：Li：5.5～10％、Y：4～10％、Zn：1～4％，余量为Mg。通过加入Y元素并在温度为490℃～510℃下进行热处理5～10h获得了具有LPSO结构相的铸造合金，强度和塑性也得到了提升。以上镁锂合金中Li含量较低，合金密度偏高，无法体现出普通镁锂合金低密度的优势，且合金延伸率较低，但锂含量过高又不能保证合金具有较高的强度，，而且以上合金铸态力学性能较差，往往需要进行变形处理才能使得合金强韧性满足要求，这就需要探究出一种在发挥镁锂合金低密度优势的同时还能保证其在铸态具有高强韧性的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有镁锂合金存在的不足，提供一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金(Mg-Li-Al-Y-Mn-Nd合金)及其制备方法。为了获得更低的合金密度，就需要提高锂的含量，本发明中提及的镁锂合金中锂的含量为11～16wt.％；Al在镁合金中的固溶强化作用优于Zn，且Al的密度显著低于Zn；本发明向镁锂合金加入Al元素的同时也引入了Y、Nd元素，与Al形成高温稳定强化相Al2Y、Al2Nd颗粒以增强基体；引入Mn元素可有效改善镁锂合金的过时效软化现象。经过热处理之后制备出一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn-Nd合金。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种含Nd的镁锂合金，其包括按重量百分比含量计的如下元素：锂：11～16％、铝：2～7％、钇：0.1～2％、锰：0.5～1.5％，钕：0～1％，余量为镁和不可避免的杂质。
本发明通过在镁锂合金中同时添加Al、Y、Mn和Nd，细化了晶粒尺寸，引入了高温稳定强化相Al2Y、Al2Nd颗粒增强基体，同时也改善了镁锂合金的抗过时效现象，经后续热处理进一步强化合金。其中，所述Al含量过高会超过其在合金中的最大固溶度，导致Al单质较多，对镁锂合金的塑性有很大的破坏作用，Al含量过低导致Al元素的强化效果不理想。发明人发现当Mg-14Li中Al含量由1wt.％增加到3wt.％时，强度由120MPa增加到201MPa，但延伸率却由35％骤降到3.6％，故需要加入Mn和稀土元素来提高强韧性。稀土Y和Nd含量过高，Al2Y、Al2Nd相颗粒粗大、分布也变得不均匀，过低则晶粒细化作用不明显且高温稳定强化相Al2Y、Al2Nd颗粒析出量较少，起不到理想的强化效果。
优选地，所述杂质为总量小于0.02wt％的Si、Fe、Cu和Ni中的一种或几种。
优选地，所述锰、钇、钕元素以Mg-Mn、Mg-Y、Mg-Nd中间合金的形式加入，中间合金的加入量根据锰、钇、钕元素占所述镁锂合金的质量百分比确定。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的含Nd的镁锂合金的制备方法，其包括熔炼成镁锂合金铸锭的步骤和将所述镁锂合金铸锭进行热处理的步骤。
优选地，所述熔炼是在保护气氛条件下进行，所用的原料、钢制模具预先加热至160℃～240℃。
优选地，所述熔炼的步骤具体包括如下操作：
将镁单质、铝单质、钇单质、锂单质、镁-锰、镁-钇和镁-钕中间合金在保护气氛下进行熔炼，在650℃～700℃下进行搅拌1～5min后，在670℃～720℃下静置保温5～10min，最后进行浇铸，得到镁锂合金铸锭。
所述浇铸是浇注到预热至160℃～240℃的钢制模具中。
优选地，所述热处理的步骤具体包括如下操作：
将所述镁锂合金铸锭在250℃～400℃固溶处理2～8h。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明制备的镁锂合金，密度小强度较高，抗拉强度为180～235MPa，屈服强度为160～200MPa，延伸率为5～18％，特别能满足军事、航空航天及3C产品对超轻高强材料的需求；
2、本发明通过加入Y元素不仅减少了软质AlLi相的形成，还阻止了亚稳相MgLi2Al在时效过程中转变为AlLi相，有效抑制了镁锂合金的过时效软化现象；此外，Y的加入也能与Al形成高温稳定强化相Al2Y；
3、本发明通过加入Nd元素，能够显著细化晶粒并形成Al2Nd稳定相，进一步提高合金的强韧性；
4、本发明通过对合金进行固溶热处理，能进一步提高合金的强韧性和热稳定性。
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。
以下实施例所提供的一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn-Nd合金，其各组分质量百分含量为：11～16wt.％Li，2～7wt.％Al，0.1～2wt.％Y，0.5～1.5wt.％Mn，0～1wt.％Nd，余量为Mg和不可避免的杂质。
本发明采用Li(锂)为第一组分，Li的加入能够显著降低合金密度，同时提高合金塑性；采用Al为第二组分，Al在Mg中的固溶度较大，同时能与Mg、Li元素形成强化析出相，起到明显的强化作用。Al元素含量很少时达不到固溶强化的效果也不能形成强化相，但含量过高第二相颗粒尺寸变大会使强韧性下降，本专利优化出的Al元素的含量为2～7wt.％；采用Y为第三组分，Y与Al形成高温稳定强化相Al2Y，弥散分布于晶界和相界起到强化作用；采用Mn为第四组分，改善强韧性和过时效软化；Nd为第五组分，细化晶粒提高强韧性。
以下实施例还提供了一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn合金的制备方法，所述制备方法包括熔炼和固溶热处理两个阶段。
所述熔炼阶段包括以下步骤：
①烘料：分别取纯Mg、纯Al、纯Li、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，将除Li块以外的原料在160℃～240℃烘箱中预热烘干2～3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气、或SF6和CO2混合气体。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至650℃～700℃时进行机械搅拌1～5min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至670℃～720℃时静置保温5～10min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃～240℃的金属型模具中，获得镁锂合金铸锭。
所述固溶热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭进行固溶处理。
固溶处理：在250℃～400℃固溶处理2～8h。
实施例1
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn合金其各组分质量百分比为：11wt.％Li，5wt.％Al，1wt.％Y，0.5wt.％Mn，1wt.％Nd，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金的制备方法，所述工艺包括熔炼和热处理两个阶段。熔炼：将合金的各组分配比熔化后升温到660℃进行机械搅拌4min，升至690℃静置保温8min，浇铸即可。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯Mg、纯Al、纯Li、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，将除Li块以外的原料在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁锂合金铸锭。
随后进行固溶处理：将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭在250℃下固溶处理8h。
该超轻高强镁锂合金的密度和室温力学性能为：
密度为1.56g/cm3，屈服强度为194.5MPa，抗拉强度为231.2MPa，延伸率为7.8％。
实施例2
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn合金其各组分质量百分比为：16wt.％Li，2.5wt.％Al，0.3wt.％Y，1wt.％Mn，1wt.％Nd，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金的制备方法，所述工艺包括熔炼和热处理两个阶段。熔炼：将合金的各组分配比熔化后升温到670℃进行机械搅拌5min，升至700℃静置保温6min，浇铸即可。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯Mg、纯Al、纯Li、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，将除Li块以外的原料在200℃烘箱中预热烘干2h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至670℃时进行机械搅拌5min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至700℃时静置保温6min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的金属型模具中，获得镁锂合金铸锭。
随后进行固溶处理：将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭在350℃下固溶处理4h。
该超轻高强镁锂合金的密度和室温力学性能为：
密度为1.49g/cm3，屈服强度为160.6MPa，抗拉强度为194.2MPa，延伸率为15.5％。
实施例3
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强Mg-Li-Al-Y-Mn合金其各组分质量百分比为：15wt.％Li，7wt.％Al，2wt.％Y，1.5wt.％Mn，0.5wt.％Nd，余量为Mg和不可避免的杂质。
本实施例涉及一种含Nd的铸造超轻高强镁锂合金的制备方法，所述工艺包括熔炼和热处理两个阶段。熔炼：将合金的各组分配比熔化后升温到680℃进行机械搅拌3min，升至710℃静置保温10min，浇铸即可。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯Mg、纯Al、纯Li、Mg-Nd、Mg-Y和Mg-Mn中间合金，将除Li块以外的原料在200℃烘箱中预热烘干2h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至680℃时进行机械搅拌3min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至710℃时静置保温10min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的金属型模具中，获得镁锂合金铸锭。
随后进行固溶处理：将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭在400℃下固溶处理2h。
该超轻高强镁锂合金的密度和室温力学性能为：
密度为1.53g/cm3，屈服强度为178.0MPa，抗拉强度为213.1MPa，延伸率为13.3％。
对比例1
本对比例提供了一种不含Nd的铸造Mg-Li-Al-Y-Mn合金，其组分与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中不含Nd，且含2wt.％Y。所述制备方法与实施例1相同。
本对比例制备的镁理合金，其密度和室温力学性能为：
密度为1.56g/cm3，屈服强度为148.4MPa，抗拉强度为180.8MPa，延伸率为3.1％。
由于塑性较差，已不满足航空航天产品对力学性能的要求。
对比例2
本对比例提供了一种含Nd的铸造Mg-Li-Al-Y-Mn-Nd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Li含量为8wt.％。所述制备方法与实施例2相同。
本对比例制备的镁理合金，其密度和室温力学性能为：
密度为：1.63g/cm3，屈服强度为184.4MPa，抗拉强度为212.4MPa，延伸率为9.3％。
由于Li含量过低，导致制备的合金密度较高，已不满足航空航天产品对力学性能的要求。
对比例3
本对比例提供了一种含Nd的铸造Mg-Li-Al-Y-Mn-Nd合金，其组分与实施例3基本相同，不同之处仅在于：本对比例中在450℃下固溶处理2h。所述制备方法与实施例3相同。
本对比例制备的镁理合金，其密度和室温力学性能为：
密度为：1.53g/cm3，屈服强度为140.2MPa，抗拉强度为168.4MPa，延伸率为7.2％。
由于固溶温度过高使合金出现过烧现象，导致制备的合金强度过低，已不满足航空航天产品对力学性能的要求。
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 (6)

1.一种含Nd的铸造镁锂合金，其特征在于，包括按重量百分比含量计的如下元素：锂：11～16％、铝：2～7％、钇：0.1～2％、锰：0.5～1.5％，钕：0～1％，余量为镁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的含Nd的铸造镁锂合金，其特征在于，锰、钇、钕元素分别以Mg-Mn、Mg-Y、Mg-Nd中间合金的形式加入，中间合金的加入量根据锰、钇、钕元素占所述铸造镁锂合金的质量百分比确定。
3.一种如权利要求1所述的含Nd的铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括熔炼成镁锂合金铸锭的步骤和将所述镁锂合金铸锭进行热处理的步骤。
4.如权利要求3所述的含Nd的铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼是在保护气氛条件下进行，所用的原料、钢制模具预先加热至160℃～240℃。
5.如权利要求3所述的含Nd的铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼的步骤具体包括如下操作：
将镁单质、铝单质、锂单质、镁-钇、镁-锰和镁-钕中间合金在保护气氛下进行熔炼，在650℃～700℃下进行搅拌1～5min，然后在670℃～720℃下静置保温5～10min，最后进行浇铸，得到镁锂合金铸锭。
6.如权利要求3所述的含Nd的铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述热处理的步骤具体包括：将所述镁锂合金铸锭在250℃～400℃进行固溶处理2～8h。
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