CN110592449A - 一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方法 - Google Patents

一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方法，属于铸造合金的工艺领域。本发明要解决现有准晶强化铸造镁锂合金中增加准晶相数量时无法控制准晶均匀分布的问题。本发明的准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为8％‑15％的Li，5％‑8％的Zn，0‑15％的Al，0‑5％的Y，0‑5％的Gd，其余为Mg。制备准晶强化铸造镁锂合金时准晶相以空心球的方式分批加入到合金熔体中，加完后熔体720‑740℃保温30分钟，调整炉温至680‑700℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。本发明达到了增加准晶含量同时提高其分布均匀性的目的，铸态准晶强化相分布均匀性提高80％以上。

Description

一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铸造合金的工艺领域；具体涉及一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方 法。
背景技术
铸造镁锂合金因其极低的密度(通常在1.30-1.85g/cm3范围内)，在航空、航天、汽车、舰船、水下及军事工业领域有着广泛的应用潜力。随着这类铸造镁锂合金构件的需求越来越多，镁锂合金在要求密度低的同时还要提高合金的绝对强度；形成准晶增强镁锂合金是一条具有潜力的技术路线，但是目前铸造镁锂合金中的准晶增强相与镁合金基体为凝固时由合金中原位析出，因此准晶的分布与数量无法自然达到最佳匹配，当准晶数量少时无法突出其优秀的强化作用，当数量多时由于凝固特性的原因会形成网状分布，导致脆性增加，性能反而下降，这就导致了合金无法通过正常凝固同时获得有利的准晶数量与分布状态，应此限制了铸造镁锂合金的开发，所以目前发明和使用的准晶增强镁合金为了追求数量与分布的最佳匹配，都会在制造铸锭时加入大量促进准晶形成的元素来增加准晶数量，然后增加塑性变形工序来调节铸态材料中准晶的分布均匀性，这样材料的最终状态就变成变形态合金了，这就导致没有合适的准晶增强铸造镁锂合金可供复杂铸件铸造成形使用的现状，最本质的原因就是增加准晶增强相的数量以后无法控制其分布状态的均匀性。
发明内容
本发明要解决现有准晶强化铸造镁锂合金中增加准晶相数量时无法控制准晶均匀分 布的问题，提出了一种准晶强化铸造镁锂合金及其制备方法，实现准晶强化铸造镁锂合金 的制造。本发明方法实现了准晶强化铸造镁锂合金中增加准晶含量同时提高其分布均匀性 的目的，不需对现有的设备改造。
为解决上述问题，本发明的准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为8％-15％的 Li，5％-8％的Zn，0-15％的Al，0-5％的Y，0-5％的Gd，其余为Mg。
本发明中的准晶强化铸造镁锂合金是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米的准晶空心球，其中壁厚为30微米占准晶空心球总质量的 10％～20％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的20％～30％，余量的为壁厚为10微米的， 使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密度1.0倍～1.2倍；
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量后按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-15Y合金、Mg-18Gd合金、高纯铝、高纯镁，再将选取的合金分 别去除表面氧化皮和表层；
步骤三、将坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入Ar(氩气)保护气体，然后向坩埚内加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加 入其余合金和高纯铝，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体中，首先加入壁厚为30微 米的空心球，20min后加入壁厚为20微米的空心球，再过20min加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃～740℃保温30分钟，调整炉温至680℃～700℃后将浇 注到模具中形成合金铸锭。
步骤二中合金去除表面氧化皮和表层是按下述操作进行的：先用质量浓度为0.2％的 NaOH溶液清洗干净，烘干，打磨。
步骤二中所述准晶空心球的直径控制在80μm～600μm，壁厚控制在10μm～30μm。
步骤二中所述准晶空心球材料为Mg32Zn32Al17、Mg3Zn6Y或Mg35Zn54Gd11。
步骤二中所述准晶空心球的散堆密度为1.30g/cm3～1.95g/cm3。
由于准晶空心球密度与熔体密度相近，分批加入熔体后不会明显下沉，准晶与熔体因 为都出自同一体系相润湿，因此在界面能的作用下会自动以合适的间距均匀分布于熔体 中，可以充分保证均匀性而不团聚。
本发明一种准晶强化铸造镁锂合金及准晶添加方法，准晶强化铸造镁锂合金中增加准 晶含量同时提高其分布均匀性的目的，准晶强化相分布均匀性提高80％以上。
本发明的准晶添加方法方式灵活，不需要专有设备，可以根据实际生产条件设计适合 的密度匹配工艺，提高了现有设备的利用率和使用成本。
具体实施方式
实施例1：本实施例中准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为8％的Li，5％的Zn，1％的Y，1％的Gd，余量为Mg；是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米，且直径均为100微米的准晶Mg3Zn6Y空心球，其中壁厚为30微 米占准晶空心球总质量的20％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的20％，余量的为壁 厚为10微米的，散堆密度为1.54g/cm3，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密度 1.2倍
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量，按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-20Y合金、Mg-28Gd合金、高纯镁(质量纯度为99.99％)，上 述合金均采用质量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，在120℃下烘干，用400#砂纸打 磨去表面氧化皮和表层备用。
步骤三、熔炼：坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入Mg-10Zn 中间合金、Mg-20Y合金、Mg-28Gd合金，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体，首先加入壁厚为30微米 的空心球，20分钟后加入壁厚为20微米的空心球，再过20分钟加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃保温30分钟。
步骤五、浇注：调整炉温至700℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。
本实施例所述一种准晶强化铸造镁锂合金及准晶添加方法，准晶强化铸造镁锂合金中 增加准晶含量同时准晶强化相分布均匀性提高80％以上。
本发明的准晶添加方法方式灵活，不需要专有设备，可以根据实际生产条件设计适合 的密度匹配工艺，提高了现有设备的利用率和使用成本。
实施例2：本实施例中准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为15％的Li，8％的 Zn，5％的Y，余量为Mg；是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米，且直径均为300微米的准晶Mg3Zn6Y空心球，其中壁厚为30微 米占准晶空心球总质量的10％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的30％，余量的为壁 厚为10微米的，散堆密度为1.60g/cm3，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密度 1.1倍
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量，按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-20Y合金、高纯镁(质量纯度为99.99％)，上述合金均采用质 量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，在120℃下烘干，用400#砂纸打磨去表面氧化皮 和表层备用。
步骤三、熔炼：坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入Mg-10Zn 中间合金、Mg-20Y合金，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体，首先加入壁厚为30微米 的空心球，20分钟后加入壁厚为20微米的空心球，再过20分钟加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度740℃保温30分钟。
步骤五、浇注：调整炉温至680℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。
实施例3：本实施例中准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为15％的Li，8％的 Zn，5％的Y，5％的Gd余量为Mg；是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米，且直径均为200微米的准晶Mg3Zn6Y空心球，其中壁厚为30微 米占准晶空心球总质量的20％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的30％，余量的为壁 厚为10微米的，堆密度为1.95g/cm3，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密度 1.2倍
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量，按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-20Y合金、Mg-18Gd合金、高纯镁(质量纯度为99.99％)，上 述合金均采用质量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，在120℃下烘干，用400#砂纸打 磨去表面氧化皮和表层备用。
步骤三、熔炼：坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入Mg-10Zn 中间合金、Mg-20Y合金、Mg-18Gd合金，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体，首先加入壁厚为30微米 的空心球，20分钟后加入壁厚为20微米的空心球，再过20分钟加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃保温30分钟。
步骤五、浇注：调整炉温至700℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。
实施例4：本实施例中准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为15％的Li，15％的 Al，8％的Zn，余量为Mg；是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米，且直径均为80微米的准晶Mg32Zn32Al17空心球，其中壁厚为30 微米占准晶空心球总质量的10％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的20％，余量的为 壁厚为10微米的，散堆密度为1.30g/cm3，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密 度1.0倍
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量，按需选取中间合金Mg-20Li合金、高纯铝(质量纯度为99.99％)、Mg-10Zn中间合金、高纯镁(质量纯度为99.99％)，上 述合金均采用质量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，在120℃下烘干，用400#砂纸打 磨去表面氧化皮和表层备用。
步骤三、熔炼：坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入Mg-10Zn 中间合金、高纯铝，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体，首先加入壁厚为30微米 的空心球，20分钟后加入壁厚为20微米的空心球，再过20分钟加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃保温30分钟。
步骤五、浇注：调整炉温至680℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。
实施例5：本实施例中准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为13％的Li，8％的 Zn，5％的Gd，余量为Mg；是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米，且直径均为600微米的准晶Mg35Zn54Gd11空心球，其中壁厚为30 微米占准晶空心球总质量的20％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的30％，余量的为 壁厚为10微米的，散堆密度为1.80g/cm3，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密 度1.2倍
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量，按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-28Gd合金、高纯镁(质量纯度为99.99％)，上述合金均采用质 量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，在120℃下烘干，用400#砂纸打磨去表面氧化皮 和表层备用。
步骤三、熔炼：坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入Mg-10Zn 中间合金、Mg-28Gd合金，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体，首先加入壁厚为30微米 的空心球，20分钟后加入壁厚为20微米的空心球，再过20分钟加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃保温30分钟。
步骤五、浇注：调整炉温至700℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。

Claims (10)

1.一种准晶强化铸造镁锂合金，其特征在于所述准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为8％-15％的Li，5％-8％的Zn，0-15％的Al，0-5％的Y，0-5％的Gd，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种准晶强化铸造镁锂合金，其特征在于所述准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为8％的Li，5％的Zn，0-15％的Al，1％的Y，1％的Gd，其余为Mg。
3.根据权利要求1所述的一种准晶强化铸造镁锂合金，其特征在于所述准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为15％的Li，8％的Zn，5％的Y，其余为Mg。
4.根据权利要求1所述的一种准晶强化铸造镁锂合金，其特征在于所述准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为15％的Li，8％的Zn，15％的Al，其余为Mg。
5.根据权利要求1所述的一种准晶强化铸造镁锂合金，其特征在于所述准晶强化铸造镁锂合金含有质量百分含量为13％的Li，8％的Zn，5％的Gd，其余为Mg。
6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种准晶强化铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、按照设计成分计算合金中准晶相的含量，选取壁厚为30微米球、壁厚为20微米及壁厚为10微米的准晶空心球，其中壁厚为30微米占准晶空心球总质量的10％～20％，壁厚为20微米占准晶空心球总质量的20％～30％，余量的为壁厚为10微米的，使准晶空心球的散堆密度是镁锂合金的理论密度1.0倍～1.2倍；
步骤二、然后计算合金中其余成分的百分含量后按需选取中间合金Mg-20Li合金、Mg-10Zn中间合金、Mg-15Y合金、Mg-18Gd合金、高纯铝、高纯镁，再将选取的合金分别去除表面氧化皮和表层；
步骤三、将坩埚空载加热至900℃后，调低炉温至690℃，通入氩气保护气体，然后向坩埚内加入高纯镁、待其溶化后加入Mg-20Li合金、当其完全溶入到熔体中时加入其余合金和高纯铝，当合金全部熔融后调整炉温到700℃；
步骤四、将步骤二选取的准晶空心球分批加入到合金熔体中，首先加入壁厚为30微米的空心球，20min后加入壁厚为20微米的空心球，再过20min加入壁厚为10微米的空心球，加完后调准熔体温度720℃～740℃保温30分钟，调整炉温至680℃～700℃后将浇注到模具中形成合金铸锭。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于步骤二中合金去除表面氧化皮和表层是按下述操作进行的：先用质量浓度为0.2％的NaOH溶液清洗干净，烘干，打磨。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于步骤二中所述准晶空心球的直径控制在80μm～600μm，壁厚控制在10μm～30μm。
9.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于步骤二中所述准晶空心球材料为Mg32Zn32Al17、Mg3Zn6Y或Mg35Zn54Gd11。
10.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于步骤二中所述准晶空心球的散堆密度为1.30g/cm3～1.95g/cm3。
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