CN112974528B - 一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于异构材料领域，具体涉及一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料及其制备方法。包括如下步骤：(1)：对强塑性能差异较大的一种单相镁锂合金板和一种双相镁锂合金板进行预处理，并按照高强低塑/低强高塑/高强低塑的方式叠放；(2)叠放后的板材高温保温后，进行轧制；(3)将步骤(2)得到的板材进行表面处理后，重复步骤(2)。本发明通过累积轧制将强塑性差异较大的镁锂合金紧密结合在一起，同时形成一种层状异构结构，在变形时由于不同区域间存在强度和塑性差异会产生异质变形诱导的强化作用，从而同时提高材料强度和塑性。

Description

一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于异构材料领域，具体涉及一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料及其制备方法。
背景技术
为了满足工业发展对轻量化高性能金属材料的更高需求，提高合金的综合性能至关重要。镁锂合金是目前最轻的金属结构材料，具有较高的比强度、密度低等优点。在航空航天、汽车、电子行业、通讯等领域有着广泛作用。但是镁锂合金的常温塑性变形能力差、强度偏低，使得其应用仍然有很大限制。
随着对金属材料的探索逐渐深入，异质结构材料因其与传统材料相比更好的力学和功能特性，能有效提高强度和塑性，而被人们广泛关注。2014年，魏宇杰等人在期刊《NATURE COMMUNICATIONS》上发表了题为“Evading the strength–ductility trade-offdilemma in steel through gradient hierarchical nanotwins” (2014，5，Articlenumber:3580)的文章，通过预扭转法得到了梯度异构孪晶结构的TWIP钢，在圆柱形孪晶诱导的塑性钢试样上施加扭转，使其沿径向产生梯度纳米孪晶结构，处理后TWIP钢的屈服强度从300MPa提高到600MPa，同时保持了其原有的塑性(延伸率接近40％)。2015年，武晓雷等人在期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上发表题为“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility”(2015,112(47): 14501-14505)的文章，文章指出通过异步轧制和局部再结晶工艺在Ti中产生了异构层状结构，较软的(低强高塑)的区域和较硬的(高强低塑)的区域相结合，在加载过程中软区能比硬区承载更多的塑性应变，同时在软硬区界面处堆积几何必要位错，提高材料整体强度塑性，得到的材料既有超细晶钛的强度，又具有粗晶钛的塑性，再次证明异构材料能够提高材料的强度和塑性。
合金化、机械加工都是提高材料性能常用方式。公开号为CN11002925的专利文件中，公开了“一种多元微合金化双相镁锂合金及其制备方法”，通过多元微合金化方式向双相α+β镁锂合金中添加Al、Zn、Ag和稀土元素，使得镁锂合金的晶粒得到细化，提高了镁锂合金的强度和延伸率；公开号为CN106064504的专利文件中，公开了“一种高强韧性镁锂合金层状复合材料及其制备方法”，通过累积叠轧及退火处理两种单相镁锂合金，得到一种复合镁锂材料，使合金强度获得提高。虽然上述方法使镁锂合金的力学性能得到一定改善，但提升效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料的制备方法，将α单相镁锂合金和α+β双相镁锂合金叠放、保温之后进行累积叠轧，退火得到高强度高塑性层状异构镁锂复合材料。
进一步的，α单相镁锂合金和α+β双相镁锂合金分别为LA43M和LA103Z。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤(1)：选取尺寸大小相同的镁锂合金板材LA43M和LA103Z，并对板材进行表面处理，打磨去除氧化层，并在丙酮中超声清洗15-20min；
步骤(2)：将清洗后的板材以“三明治”结构形式交替叠放并用铁丝固定四角，将固定的三明治结构放入马弗炉中加热保温；
步骤(3)：对保温后的样品进行一道次轧制，对轧制一道次后的样品进行表面处理，去除表面油污以及氧化层，使用线切割切断后累积叠放，沿轧制方向固定后再进行轧制，重复上述步骤，进行累积叠轧，直至轧制道次达到3～5次；
步骤(4)：对轧制后的板材进行退火。
进一步的，步骤(1)中的“对板材进行表面处理，打磨去除氧化层”具体为：用砂纸进行打磨，去除氧化层后，再继续用砂轮打磨表面。
进一步的，步骤(2)中的“用铁丝固定四角”具体为：用钻头在板材四个角钻四个孔，并用铁丝从孔穿过来固定好板材。
进一步的，步骤(2)中的保温具体为：马弗炉内350-400℃温度下保温 15-30min。
进一步的，步骤(3)中每道次轧制的压下量为55％～75％。
进一步的，步骤(4)中的退火工艺具体为：其在300-400℃下进行退火，退火时间为1-2h。
一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明中利用累积叠轧的方法对高强低塑的α单相镁锂合金和低强高塑的α+β双相镁锂合金通过累积叠轧工艺结合在一起，在轧制过程中两种镁锂合金中Al和Li原子相互扩散，在α/α+β界面两侧均会形成扩散区，这种扩散区有利于两种镁锂合金梯度异质结构的形成，从而实现材料的强塑性匹配；同时α+β双相镁锂合金在轧制过程中，内部α相被拉长厚度减小，β相体积分数增加，在保持高塑性的同时，还能获得较好的强度；
(2)本发明与α/β交替的镁锂合金复合板材不同(《一种高强韧性镁锂合金层状复合材料及其制备方法》(公开号：CN106064504))，利用本发明制备出的α/α+β交替的层状异构镁锂复合材料在承载应力时，低强高塑的软区α+β双相镁锂合金相比α单相镁锂合金能够承载更多的应变，材料的塑性变形能力更加优秀，能更好的实现强塑性匹配。
(3)本发明采用累积轧制的方式制备层状异构镁锂复合材料板材，制备方法简单，具有普适性，材料形状以及尺寸容易控制，可获得多层材料。
(4)能够在镁锂合金中制备异质结构，有效提高材料的强度和塑性，对实现强塑性匹配进而提高材料综合性能具有指导意义。
附图说明
图1为本发明的异构材料的叠放示意图。
图2为本发明的工艺流程示意图。
附图标记说明：
1-单相镁锂合金LA43M，2-双相镁锂合金LA103Z。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种层状镁锂异构材料板材，所使用的材料包括两种镁锂合金，本发明以 LA103Z镁锂合金和LA43M镁锂合金为例。其特征是将强塑性能有差异的两种镁锂合金以“三明治”的方式进行叠轧处理，实现异质结构。
上述层状镁锂异构材料板材的制备方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1：首先取50mmⅹ30mmⅹ3.5mm尺寸的LA103Z和LA43M镁锂合金板，然后对结合面进行砂纸打磨-丙酮超声清洗20min，最后吹干。
步骤2：将获得的镁锂复合材料按照LA43M/LA103Z/LA43M的“三明治”结构叠在一起，用2mm钻头在合金板上钻四个孔，用铁丝从孔中穿过，用以固定三层合金板。固定后的样品放入马弗炉中，在350℃下保温15min后，再进行轧制。
步骤3：将样品保温后取出，立刻进行一道次轧制，其中轧制压下量为55％，对轧制一道次后的样品进行表面处理，去除表面油污以及氧化层，使用线切割切断，沿轧制方向固定后再进行轧制，重复上述步骤，进行累积叠轧，直至轧制道次达到3～5次。
实施例2
步骤1：取尺寸为50mmⅹ25mmⅹ3.5mm的两种镁锂板材LA91和LA43M各一块，打磨去除氧化层，然后在丙酮中超声处理20min，清洗表面。将表面处理后的两块板材叠放在一起，用钻头钻孔并用铁丝固定。
步骤2：将步骤1中的样品放入马弗炉中，在400℃下保温20min。
步骤3：将步骤2中，保温结束后的样品取出，放入轧辊进行轧制，轧制压下量为75％。
实施例3
步骤1：取尺寸为50mmⅹ30mmⅹ3.5mm的两种镁锂板材LA43M和LA130Z，对其表面进行打磨去除氧化层，然后在丙酮中超声处理20min。将表面处理后的两种板材，以LA103Z/LA43M/LA103Z的顺序叠放固定在一起。
步骤2：将步骤1中的样品放入高温炉中，在400℃下保温20min。
步骤3：将步骤2中，保温结束的样品取出，进行轧制，轧制压下量为55％。
步骤4：轧制后的样品，对其在300℃下进行退火，退火时间为1h。

Claims (6)

1.一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料的制备方法，其特征在于，将单相镁锂合金LA43M、双相镁锂合金LA103Z和单相镁锂合金LA43M依次叠放形成“三明治”结构、保温之后进行累积叠轧，退火得到高强度高塑性层状异构镁锂复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：选取尺寸大小相同的镁锂合金板材LA43M和LA103Z，并对板材进行表面处理，打磨去除氧化层，并在丙酮中超声清洗20min；
步骤(2)：将清洗后的板材以“三明治”结构形式交替叠放并用铁丝固定四角，将固定的三明治结构放入马弗炉中加热保温；
步骤(3)：对保温后的样品进行一道次轧制，对轧制一道次后的样品进行表面处理，去除表面油污以及氧化层，使用线切割切断后累积叠放，沿轧制方向固定后再进行轧制，重复上述步骤，进行累积叠轧，直至轧制道次达到3～5次；
步骤(4)：对轧制后的板材进行退火。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的“用铁丝固定四角”具体为：用钻头在板材四个角钻四个孔，并用铁丝从孔穿过来固定好板材。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的保温具体为：马弗炉内350℃温度下保温15min。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中轧制的压下量为55％。
6.一种高强度高塑性层状异构镁锂复合材料，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的方法制备。
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