CN109182806B - 一种超轻高强镁锂合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种超轻高强镁锂合金的制备方法，按成分设计称取镁块、铝块烘干熔炼；将Mg‑Sm中间合金加入到上述合金熔体中保温处理；再将纯锂用铝箔包裹分批加入到上熔体中，每批保温2~4min；然后升温至700℃，保温后浇铸成铸锭。铸锭各组分重量百分比：Al4.5~5.1%，Li8.2~9.1%，Sm0.3~1.0%，余为镁。将铸锭均匀化处理，处理温度250℃，保温4~8 h；然后热挤压，挤压温度250℃，挤压比25，挤压速度1.5~2m/min。本发明镁锂合金组织中晶粒细小的双相组织，其强度高达285Mpa，密度1.4~1.5g/cm3，比现有镁合金降低了约20%。且工艺简单、安全可靠，操作方便，无三废污染。

Description

一种超轻高强镁锂合金的制备方法
技术领域
本发明属于合金或有色金属的处理技术领域。
背景技术
镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振性能优异、导热性好、易回收等优点，在航空航天、汽车制造、家电仪表、电子通讯、生物医学等领域有着极其重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”。同时镁作为地球上分布最广的元素之一，广泛分布于地壳之中，海水中也有大量的镁元素，其在海水中的总量达到6×106t，设想假如传统的金属材料（如钢铁、铝合金）用镁合金代替，在大幅度减轻汽车的重量和尾气排放量，从而提高燃油效率的同时缓解了传统金属材料资源紧张的难题。因此，镁合金在汽车、电子通讯、航空航天和国防军事等领域有着广阔的应用前景，尤其是近年来，随着人们对节能减排和构件轻量化要求的不断提高，对镁合金的运用和研究就显得尤为迫切。
虽然，镁合金相比传统材料有其独特的优势，但是，镁合金也存在塑性不足，变形能力差等缺点。据研究发现，传统的镁和镁合金为密排六方(hcp)晶格结构，其在室温下仅有一个{0001}滑移面和两个{0001}<1120>独立滑移系，因此镁合金主要靠滑移与孪生相互作用进行塑性变形，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，这极大地限制了滑移过程，而且这种取向下难以发生孪生，以致镁晶体会快速的发生脆性断裂。镁合金的这一缺点在很大程度上限制了它的应用。
金属镁与锂之间有着很奇妙的结构转变。金属锂为体心立方(bcc)晶格结构，在镁（或镁合金）中加入锂能降低密排六方结构(hcp)的镁晶格轴比 c/a 值，且锂的添加量达到一定值后，合金将完全转变为体心立方结构。在二元 Mg-Li合金中，当锂的质量分数低于5.7 %时，合金由密排六方晶格的α-Mg（Li在Mg内的固溶体）单相组成；当锂的质量分数高于10.3 %时，合金则由单一的具有体心立方晶格的β-Li（Mg在Li 内固溶体）相组成；当锂元素的质量分数介于 5.7%和10.3%间时，合金则由密排六方晶格的α相和体心立方晶格的β相双相组成。与传统的具有密排六方晶格的镁合金相比，Mg-Li系列合金由于其特有的晶格结构而具有较好的塑性。但同时 Mg-Li合金存在的绝对强度低、热稳定性及抗腐蚀性差等缺点，也严重限制了其在工业生产方面的应用，因此,人们研究了通过添加合金化元素和不同的热加工手段来提高Mg-Li合金的性能。
稀土被普遍认为是提高镁合金机械性能最直接和最有效的合金元素，其中，Sm与镁的原子尺寸接近，在镁中的固溶度（最大为5.8%） 比La、Ce、Pr、Nd大，可实现固溶强化、细晶强化等强化作用，从而提高镁合金的强度。因而，稀土元素Sm在镁合金中的显著作用逐渐引起了众多研究者的重视。
研究发现：Al2Sm金属间化合物可有效提高镁合金的综合力学性能，但稀土元素Sm含量达到1%后，Al2Sm相的数量逐渐增多、尺寸不断长大并趋于偏聚，使得镁合金的强度和塑性降低，同时，由于Sm的密度较大，过量的加入元素Sm不利于镁合金的轻量化。热挤压成型作为一种最近发展起来制备高性能Mg-Li合金的热加工手段，能进一步改善Mg-Li合金的微观组织，使得Mg-Li合金的性能进一步提升。其原理是通过挤压过程中发生的动态再结晶，导致晶粒细化，从而显著提升合金的机械性能。同时尺寸较大和聚集分布金属间化合物Al2Sm在热挤压后粉碎成较小颗粒的相弥散分布在合金中，并在拉伸试验中作为阻碍位错运动的阻挡层，通过弥散强化效应提高合金的强度。
热挤压工艺在镁锂合金中的应用，能有效的细化基体晶粒，破碎强化相并促进其均匀分散，有望进一步提高镁锂合金的强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超轻高强镁锂合金的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种超轻高强镁锂合金的制备方法，其特征是按如下步骤。
按成分设计方案称取镁块、铝块烘干并进行熔炼；在温度720~740℃时，将Mg-Sm中间合金加入到上述合金熔体中保温10~15min后降温；在温度660~700℃时，将纯锂用铝箔包裹分批加入到镁合金熔体中，每批加入后保温2~4min；待纯锂完全融入镁合金溶体后，升温至700℃保温10~15min后浇铸成铸锭，所获得的铸锭各组分的重量百分比为：Al：4.5~5.1%，Li：8.2~9.1%，Sm：0.3~1.0%，余量为镁；将上述铸锭进行均匀化处理，处理温度为250℃，保温时间4~8 h；对均匀化处理后的铸锭进行热挤压，挤压前需对铸锭进行1h的预热，预热温度为250℃，挤压温度为250℃，挤压比25，挤压速度为1.5~2m/min。
本发明的技术效果是：本发明采用稀土元素Sm合金化和热挤压成型热加工工艺相结合得到的稀土超轻高强镁锂合金组织中晶粒细小的双相组织，其强度达到了285Mpa满足工业用镁合金强度要求，同时其密度为1.4~1.5g/cm3，相比普通工业用镁合金降低了约20%，而且工艺简单、安全可靠，操作方便，且无三废污染。
附图说明
图1为实施例2条件下制备的挤压态镁锂合金垂直挤压方向的光学显微组织。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1：按成分设计方案称取镁块、铝块烘干并进行熔炼，在温度660℃时，将纯锂用铝箔包裹分批加入到上述合金熔体中，每批加入后保温4min；待纯锂完全融入镁合金溶体后，升温至700℃保温10min后浇铸成铸锭，将上述铸锭进行均匀化处理，处理温度为250℃，保温时间4h；对均匀化处理后的铸锭进行热挤压，挤压前需对铸锭进行1h的预热，预热温度为250℃，挤压温度为250℃，挤压比25，挤压速度为2m/min。上述方法制备的镁合金密度为1.41g/cm3，抗拉强度为226MPa。
实施例2：按成分设计方案称取镁块、铝块烘干并进行熔炼；在温度720℃时，将Mg-Sm中间合金加入到上述合金熔体中（其中Sm占最终稀土超轻高强镁锂合金总重量的0.4%）保温10min后降温，在温度680℃时，将纯锂用铝箔包裹分批加入到镁合金熔体中，每批加入后保温2min；待纯锂完全融入镁合金溶体后，升温至700℃保温15min后浇铸成铸锭，将上述铸锭进行均匀化处理，处理温度为250℃，保温时间4h；对均匀化处理后的铸锭进行热挤压，挤压前需对铸锭进行1h的预热，预热温度为250℃，挤压温度为250℃，挤压比25，挤压速度为2m/min。上述方法制备的镁合金密度为1.44g/cm3，抗拉强度为285MPa。
实施例3：按成分设计方案称取镁块、铝块烘干并进行熔炼；在温度740℃时，将Mg-Sm中间合金加入到上述合金熔体中（其中Sm占最终稀土超轻高强镁锂合金总重量的0.8%）保温10min后降温，在温度700℃时，将纯锂用铝箔包裹分批加入到镁合金熔体中，每批加入后保温3min；待纯锂完全融入镁合金溶体后，升温至700℃保温15min后浇铸成铸锭，将上述铸锭进行均匀化处理，处理温度为250℃，保温时间8h；对均匀化处理后的铸锭进行热挤压，挤压前需对铸锭进行1h的预热，预热温度为250℃，挤压温度为250℃，挤压比25，挤压速度为1.5m/min。上述方法制备的镁合金密度为1.48g/cm3，抗拉强度为256MPa。
将实施例2制得的挤压态镁锂合金经过打磨、抛光、腐蚀后在光学显微镜下观察合金显微组织，如附图1所示，得到的合金的双相基体组织晶粒细小，颗粒状Al-Sm金属间化合物分布均匀。添加微量稀土元素Sm进行合金化，对合金的轻质化影响较小，同时对基体起固溶强化、细晶强化等强化作用，提高镁合金的强度，保证合金的轻质性。挤压过程中发生的动态再结晶，导致晶粒细化，显著提升合金的机械性能，同时尺寸较大和聚集分布Al-Sm金属间化合物在热挤压后粉碎成较小颗粒的相弥散分布在合金中，进一步提高合金的强度。通过稀土元素合金化和热挤压工艺双重强化，得到的稀土超轻高强镁锂合金，强度为285Mpa，密度为1.44g/cm3。

Claims (1)

1.一种超轻高强镁锂合金的制备方法，其特征是按如下步骤：按成分设计方案称取镁块、铝块烘干并进行熔炼；在温度720~740℃时，将Mg-Sm中间合金加入到上述合金熔体中保温10~15min后降温；在温度660~700℃时，将纯锂用铝箔包裹分批加入到镁合金熔体中，每批加入后保温2~4min；待纯锂完全融入镁合金溶体后，升温至700℃保温10~15min后浇铸成铸锭，所获得的铸锭各组分的重量百分比为：Al：4.5~5.1%，Li：8.2~9.1%，Sm：0.3~1.0%，余量为镁；将上述铸锭进行均匀化处理，处理温度为250℃，保温时间4~8 h；对均匀化处理后的铸锭进行热挤压，挤压前对铸锭进行1h的预热，预热温度为250℃，挤压温度为250℃，挤压比25，挤压速度为1.5~2m/min。
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