CN112680642B

CN112680642B - 一种改性的镁锂合金铸锭及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112680642B
Application number: CN202011439557.7A
Authority: CN
Inventors: 李传强; 董琳杰; 刘茜; 章争荣
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112680642A

Abstract

本发明属于镁锂合金技术领域，公开了一种改性的镁锂合金铸锭及其制备方法和应用，该方法是将锂锭、锌锭和镁锭放入真空熔炼坩埚中，使炉内压强低于1×10^‑2Pa；向炉内通入氩气，待气压达0.05～0.07MPa时，停止充氩气；先用1.8～2.2kW加热至730～780℃保持10～15min，再增加功率至3.8～4.2kW，待合金全部熔化，再调制功率5.8～6.2kW保持5～8min；功率调至零并浇铸成型，制得改性的镁锂合金铸锭。本发明的改性的镁锂合金，其抗拉强度和延伸率分别比提升了2.5倍和1.6倍。本发明工艺简单、可靠、成本低廉，易于推广，具有实用价值。

Description

一种改性的镁锂合金铸锭及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于镁锂合金制备与强韧化技术领域，更具体地，涉及一种改性的镁锂合金铸锭及其制备方法和应用。

背景技术

镁锂合金是现有最轻的金属结构材料，有较好的切削加工性能，同时有较高的比强度、比刚度、优良的阻尼和减吸震性能，使其在航天、汽车、医疗、3C和运动设备等领域有广阔的应用前景。传统镁及镁合金为密排六方晶格结构，但在镁中加入锂后会形成镁锂合金，其晶体结构将会逐步发生转变：当锂的质量分数低于5.7％时，合金是由单相密排六方结构的α-Mg组成；当锂的质量分数介于5.7％和10.3％之间时，合金则由密排六方结构的α-Mg和体心立方结构的β-Li双相组成；当锂的质量分数高于10.3％时，合金则完全由体心立方结构的β-Li组成。虽然镁锂合金有众多优点，但镁锂合金的力学强度较低，尤其是体心立方结构的镁锂合金，其抗拉强度通常低于200MPa，这严重限制其广泛应用。因此，成功开发出能够有效改善镁锂合金的力学性能且制备工艺简单、成本低廉的先进技术显得极其重要。

在改善合金材料力学性能的众多方法中，低值元素合金化处理是最便于操作且可节约成本的，其中锌元素是镁合金强化常用的合金元素之一。本发明是基于Zn元素可改善镁锂合金强韧性的这一特点，对Mg-11wt.％Li基合金添加不同质量分数的Zn元素，并进行力学性能对比，旨在为高强韧化镁锂合金的工业生产提供有益参考与技术支撑。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种改性的镁锂合金铸锭的制备方法。该方法利用锌元素同时提高β-Li镁锂合金的力学强度和塑性，将合金原料置于真空熔炼炉中进行熔炼，其过程是先抽真空后充入氩气保护，然后调节功率使原料完全融化并进行静置，之后在炉内进行浇铸并随炉冷却，最后获得改性的镁锂合金铸锭。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的改性的镁锂合金铸锭。

本发明的再一目的在于提供上述改性的镁锂合金铸锭的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种改性的镁锂合金铸锭的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.锂锭、锌锭和镁锭放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中，打开循环水，盖严真空感应熔炼炉炉盖，开启抽真空系统，使炉内压强低于1×10^-2Pa；

S2.向炉内通入氩气，将氩气充入真空室内，待炉体中气压达到0.05～0.07MPa时，停止充氩气；

S3.调节功率：先用1.8～2.2kW小功率让坩埚中的合金加热至730～780℃10～15min，再增加功率至3.8～4.2kW，待坩埚内合金全部熔化后，再将功率调制5.8～6.2kW并保持5～8min；然后功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得镁锂合金铸锭。

优选地，步骤S1中所述的锂锭、锌锭和镁锭质量比为(10.3～20):(0.1～20):(89.6～60)。

优选地，步骤S1中所述的锂锭、锌锭和镁锭的纯度均为99.85～99.95％。

一种改性的镁锂合金铸锭是由上述方法制得。

优选地，所述的改性的镁锂合金铸锭的屈服强度为76.7～172.5MPa，抗拉强度为72.3～184.1MPa，延伸率为18.8～30％。

所述的改性的镁锂合金铸锭在航空航天、武器装备、汽车或电子信息领域中的应用。

本发明的原理：锌与镁易形成连续固溶体，锌在镁中有较大的固溶度，固溶原子Zn对镁锂合金在变形过程中所形成的位错起到阻碍作用，达到固溶强化效果，从而提高材料的力学强度。另外，β-Li镁锂合金保持着体心立方结构，其独立滑移系较多，塑性变形能力较强，而锌对镁锂合金的塑性又无太大损害，并且含Zn第二相可以作为镁锂合金熔体凝固的形核位置，促使合金晶粒细化，从而同时提高镁锂合金的强度和塑性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的改性的镁锂合金铸锭的制备方法，利用锌元素同时提高β-Li镁锂合金的力学强度和塑性的方法，将合金原料置于真空熔炼炉中进行熔炼，其过程是先抽真空后充入氩气保护，然后调节功率使原料完全融化并进行静置，之后在炉内进行浇铸并随炉冷却，最后获得改性的镁锂合金铸锭。

2.本发明通过调控Zn元素含量，成功制备出的β-Li镁锂合金，其力学强度与塑性均随Zn含量的增加而增加，其中抗拉强度由72.3MPa提高至184.1MPa，延伸率由18.8％提高至30.0％，分别比二元镁锂合金提升了2.5倍和1.6倍。

3.本发明利用低值锌元素对β-Li镁锂合金的强化效应，可极大地节约更多昂贵合金元素的添加以及后续变形加工强化工艺的实施，最终降低了高强β-Li镁锂合金的生产成本。

4.本发明是充分利用锌元素同时提高镁锂合金强度与塑性的方法，由于其制备方法与工艺简单，仅需添加低值锌元素，不需后续加工就可实现强韧化的目的，可节约生产制造成本，成本低廉，易于推广，可生产大尺度工业用品，非常适用于制备具有优异机械性能的镁锂合金铸造态产品，具有重要的实用价值。

附图说明

图1为对比例1和实施例1-4中不同锌含量的Mg-11Li基合金的工程应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.按合金成分设计方案及质量百分比配置原料纯镁1.76Kg、纯锂0.25Kg和纯锌0.02Kg，并放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中。

2.装料完成后，打开循环水，盖严真空感应熔炼炉炉盖，开启抽真空系统，使炉内压强在1×10^-2Pa以下。

3.向炉内通入氩气，将氩气充入真空室内，待炉体中气压达到0.06MPa时，停止充氩气。

4.调节功率，先用2kW小功率让坩埚中的合金缓慢加热，约10min后增加功率至4kW使合金逐渐融化，待坩埚内合金全部熔化后，再将功率调制6kW并保持5min。

5.功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得改性的镁锂合金铸锭，即Mg-11wt.％Li-1wt.％Zn合金(简写为Mg-11Li-1Zn合金)。

实施例2

1.按合金成分设计方案及质量百分比配置原料纯镁1.72Kg、纯锂0.25Kg和纯锌0.06Kg，并放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中。

5.功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得改性的镁锂合金铸锭，即Mg-11wt.％Li-3wt.％Zn合金(简写为Mg-11Li-3Zn合金)。

实施例3

对照合金Mg-11wt.％Li-5wt.％Zn合金的制备及力学性能测试，实施步骤如下：

1.按合金成分设计方案及质量百分比配置原料纯镁1.68Kg、纯锂0.25Kg和纯锌0.10Kg，并放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中。

5.功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得改性的镁锂合金铸锭，即Mg-11wt.％Li-5wt.％Zn合金(简写为Mg-11Li-5Zn合金)。

实施例4

对照合金Mg-11wt.％Li-7wt.％Zn合金的制备及力学性能测试，实施步骤如下：

1.按合金成分设计方案及质量百分比配置原料纯镁1.64Kg、纯锂0.25Kg和纯锌0.14Kg，并放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中。

5.功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得改性的镁锂合金铸锭，即Mg-11wt.％Li-7wt.％Zn合金(简写为Mg-11Li-7Zn合金)。

对比例1

1.按合金成分设计方案及质量百分比配置原料纯镁1.78Kg与纯锂0.25Kg，并放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中。

5.功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得镁锂合金铸锭，即Mg-11wt.％Li合金(简写为Mg-11Li合金)。

表1对比例1和实施例1～4制备的不同锌含量的镁锂合金拉伸性能

将对比例1和实施例1-4所得的不同锌含量的镁锂合金铸锭进行线切割处理，加工出标距段长度20mm、宽度3mm和厚2.5mm的狗骨头型的拉伸试样，并对试样表面进行打磨，然后在岛津SERVOPLUSER试验机进行拉伸试样，应变速率为1×10^-3s^-1，温度为室温。表1为对比例1和实施例1～4制备的不同锌含量的镁锂合金拉伸性能。从表1可知，对比例1和实施例1-4所得不同锌含量的合金的拉伸性能指标为：实施例1的Mg-11wt.％Li-1wt.％Zn合金的屈服强度为76.7MPa，抗拉强度为105.4MPa，延伸率为22.1％；实施例2的Mg-11wt.％Li-3wt.％Zn合金的屈服强度为102.2MPa，抗拉强度为117.9MPa，延伸率为24.7％；实施例3的Mg-11wt.％Li-5wt.％Zn合金的屈服强度为143.6MPa，抗拉强度为163.9MPa，延伸率为26.7％；实施例4的Mg-11wt.％Li-7wt.％Zn合金的屈服强度为172.5MPa，抗拉强度为184.1MPa，延伸率为30.0％。对比例1的Mg-11wt.％Li合金的屈服强度为47.8MPa，抗拉强度为72.3MPa，延伸率为18.8％。由此说明，随着Zn含量的增加，Mg-11Li基合金的抗拉强度和延伸率均得到提高，即Zn的添加可同时提高β-Li镁锂合金的力学强度和塑性。

图1为对比例1和实施例1-4中不同锌含量的Mg-11Li基合金的工程应力-应变曲线。其中，横坐标为应变％，纵坐标为应力MPa。从图1可以看出，随着Zn含量的增加(0wt.％→1wt.％→3wt.％→5wt.％→7wt.％)，Mg-11Li基合金均提高了最大应力和最大应变，即Mg-11Li基合金的力学强度和塑性同时得到改善。结果表明，采用本发明制备改性的镁锂合金的方法，能够有效利用合金元素Zn同时提高β-Li镁锂合金的力学强度和延伸率，所述改性的镁锂合金铸锭的屈服强度为76.7～172.5MPa，抗拉强度为72.3～184.1MPa，延伸率为18.8～30％。解决了镁锂合金同时提高强度与塑性的难题，其生产工艺简单、成本低廉，该改性镁锂合金铸锭在航空航天、武器装备、汽车或电子信息领域中的应用，推进了该类镁锂合金的工程化应用进程。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种改性的镁锂合金铸锭，其特征在于，所述改性的镁锂合金铸锭是由如下步骤制备：

S1.锂锭、锌锭和镁锭放入真空熔炼炉的熔炼坩埚中，打开循环水，盖严真空感应熔炼炉炉盖，开启抽真空系统，使炉内压强低于1×10^-2Pa；所述的锂锭、锌锭和镁锭质量比为(10.3～20):(0.1～20):(89.6～60)；

S3.调节功率：先用1.8～2.2kW小功率让坩埚中的合金加热至730～780℃10～15min，再增加功率至3.8～4.2kW，待坩埚内合金全部熔化后，再将功率调制5.8～6.2kW并保持5～8min；然后功率调至零，关闭熔炼炉电源，通过外部摇臂将合金熔体倒入铜质模具内，进行浇铸成型，待铸锭随炉冷却后取出，制得改性的镁锂合金铸锭；所获得合金铸锭的屈服强度、抗拉强度和延伸率均随着Zn含量的增加而增加，屈服强度最大为172.5MPa，抗拉强度最大为184.1MPa，同时延伸率保持30％。

2.根据权利要求1所述的改性的镁锂合金铸锭，其特征在于，步骤S1中所述的锂锭、锌锭和镁锭的纯度均为99.85～99.95％。

3.权利要求1或2所述的改性的镁锂合金铸锭在航空航天、武器装备、汽车或电子信息领域中的应用。