CN117965981A

CN117965981A - 一种超轻高强韧微合金化镁锂合金及其中低温挤压成形工艺

Info

Publication number: CN117965981A
Application number: CN202410324062.1A
Authority: CN
Inventors: 谢红波; 李姗姗; 纪春杰; 任玉平; 潘虎成; 秦高梧
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2024-05-03

Abstract

本发明公开了一种超轻高强韧微合金化镁锂合金及其中低温挤压成形工艺，涉及有色金属材料及其加工技术领域，其质量百分比成分为Li=5.5wt.%、Ce=0~1.0wt.%、Fe≤0.05%，Cu≤0.05%，Si≤0.05%，Ni≤0.005%，余量为Mg；利用本发明提供的制取工艺获得的超轻高强韧Mg‑5.5Li‑0.5Ce合金屈服强度≥242MPa，抗拉强度≥303MPa，延伸率≥8%，密度仅为：1.56g/cm3。稀土Ce微合金化导致的合金晶粒细化及其经低温挤压后形成的双峰组织，以及晶界处Ce元素的界面偏聚显著提升了合金的力学性能。通过低温挤压，避免了动态再结晶晶粒进一步长大，改善了合金的挤压成形性能，成功制备出超高强韧镁挤压件，对于推动镁挤压件在航天航空，交通运输，3C电子产品等高技术领域的应用具有重要意义。

Description

一种超轻高强韧微合金化镁锂合金及其中低温挤压成形工艺

技术领域

本发明属于有色金属结构材料及其加工技术领域，具体涉及镁合金挤压技术和超轻高强韧微合金化镁锂合金的设计和制备加工方法。

背景技术

镁锂合金是最轻的金属结构材料，在航天航空，交通运输，3C电子产品等领域有着广阔的应用前景，然而它们较低的力学性能极大地制约了其发展与应用。针对镁锂强韧性不足的问题，科研工作者们已经尝试使用各种方法来提高镁锂合金的力学性能，其中，最有效也最受关注的两种方式为析出强化和细晶强化。镁锂合金的析出强化即通过固溶+低温时效析出第二相粒子，通过第二相粒子阻碍位错运动来提升合金的屈服强度。如基于此理论设计的Mg-Li-Al，Mg-Li-Zn，Mg-Li-Al-Zn等合金体系都是通过析出亚稳的MgLi2Al/Zn粒子来实现合金强度的提升。但需要指出的是，MgLi2Al 和MgLi2Zn等强化相并不稳定，它们会很快转化为相应的软化相AlLi和MgLiZn，进而发生过时效软化，导致合金力学性能失稳。细晶强化与析出强化效应类似，本质上都是通过构筑界面以阻碍位错运动来达到合金力学性能提升的目的。传统的晶粒细化是往熔融的镁或镁合金溶液里添加细化剂，如ZnO，稀土元素等。但是，细化剂的细化效果有限，通常只能将合金晶粒细化至5 um左右，其强化效应很难达到预期。晶粒细化的另一种有效方法是通过挤压，轧制，锻造等热加工变形工艺促进动态再结晶形核以及抑制再结晶晶粒生长而获得超细晶组织。例如，通过高压扭转等极端变形工艺，人们已经可以制备晶粒尺寸小于1 um（~ 650 nm）的超细晶纯Mg。但在此需要说明的是，对于纯Mg材料，晶粒尺寸与强度呈现出强烈的反Hall-Petch效应，平均晶粒尺寸~650 nm的超细晶纯Mg材料虽然具有优异的断裂延伸率（超过60%），但其屈服强度仅为87MPa。超细晶纯镁在拉伸过程中晶界滑移调节塑性使得纯镁断裂延伸率大幅升高，但纯镁晶界不稳定，无法有效阻碍位错运动而提升合金的屈服强度。鉴于此，本发明针对我国航空航天等高技术领域对于轻量化与高强韧镁挤压件的迫切需求，摈弃传统较多元或较高含量重稀土复合强化设计高性能镁合金的方法，提出利用最轻金属元素Li与微量轻稀土元素Ce，设计强化型Mg-5.5Li-0.5Ce合金，结合中低温挤压成形工艺，实现镁挤压件的“控形控性”，制备出超轻高强韧镁挤压件。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种超轻高强韧微合金化镁锂合金及其中低温挤压成形工艺，提出利用最轻金属元素Li与微量轻稀土元素Ce，设计强化型Mg-5.5Li-0.5Ce合金，结合中低温挤压成形工艺，实现镁挤压件的“控形控性”，制备出超轻高强韧镁挤压件。

为实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案如下。

本发明提供的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金的成分为：Li=5.5wt.%、Ce=0、0.25、0.5、1.0wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素。

本发明中所述杂质元素包括：Fe、Cu、Si、Ni，各杂质元素质量百分比要求为：Fe≤0.05%，Cu≤0.05%，Si≤0.05%，Ni≤0.005%。

本发明还提供一种超轻高强韧微合金化镁锂合金及其中低温挤压成形工艺，包括以下步骤：

（1）在高纯氩气保护下，制备高品质Mg-5.5Li-xCe (x=0, 0.25, 0.5, 1.0)合金铸锭。具体工艺：将纯Mg，Mg-20Li中间合金和Mg-27Ce中间合金充分熔融后，静置10~20min，清除表面浮渣，然后浇铸至预热到200~350 °C的铁模中，制得Mg-Li-Ce合金铸锭；

（2）用锡纸包裹住合金铸锭，然后埋藏在石墨粉中进行固溶处理，固溶温度520 °C，时间8小时，然后迅速取出浸入冷水中进行淬火，以形成均匀的过饱和固溶体；

（3）将固溶好的样品加工成直径为47 mm的铸锭，将挤压筒加热到预设温度140 °C，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热以避免铸锭与冷模接触时产生裂纹，预热时间设定为15 min。当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，涂抹上石墨润滑剂后依次放入挤压筒中，随后启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温，以避免因快速冷却而造成开裂。

优选的是，所述（3）中的挤压工艺：选取140℃作为挤压温度，Mg-5.5Li-0.5Ce为挤压合金棒材，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1。

本发明的所述技术方案获得的有益效果为：

本发明的超轻高强韧微合金化镁锂合金，选取金属材料中密度最小的Li元素和微量轻稀土Ce元素，实现了合金的大幅减重。经高温固溶后，形成α-Mg单相固溶体组织，使得合金不至于因过时效软化而导致力学性能失稳，同时也有益于后续的挤压成型工艺。添加Ce元素显著细化了合金的晶粒，Ce含量添加至0.5 wt.%时，挤压态合金的晶粒尺寸最小，为~ 0.57 μm；经挤压后形成的由细小的动态再结晶晶粒和粗大拉长的未再结晶晶粒组成的双峰组织显著优化了合金的力学性能，其中再结晶细晶区存在的高密度晶界可以有效阻碍位错滑移从而提升合金的屈服强度和抗拉强度，而粗大的未再结晶区在受到应力时可以吸收更多的应变能量，减少应力集中，阻止裂纹扩展，从而提升合金的韧性；此外，晶界处Ce元素界面偏聚也起到了阻碍位错运动，提高合金强度的作用。测试结果表明：利用本发明的中低温挤压成型工艺制备的超轻高强韧微合金化Mg-5.5Li-0.5Ce挤压合金的力学性能：屈服强度为242 MPa，抗拉强度303 MPa，延伸率大于等于8%。

附图说明

图1为本发明实施例3制备的超轻高强韧微合金化Mg-5.5Li-0.5Ce合金的微观组织图。

图2为本发明实施例3制备的超轻高强韧微合金化Mg-5.5Li-0.5Ce合金的工程应力-应变曲线。

具体实施方式

实施例

在高纯氩气保护下熔炼制备Mg-5.5Li（wt.%）铸锭，然后在520ºC保温8小时，取出后迅速浸入冷水中进行淬火。将固溶后样品加工成直径为47 mm的铸锭。将挤压筒加热到预设温度140℃，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热，预热时间设定为15 min。当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，依次放入挤压筒中，启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温。

按照GBT-228.1-2021《金属材料-拉伸试验-第1部分：室温试验方法》的标准对本发明实施例1制备得到的Mg-5.5Li挤压件进行室温力学性能测试，拉伸方向平行于挤压方向，检测结果列于表1。

实施例

在高纯氩气保护下熔炼制备Mg-5.5Li-0.25Ce（wt.%）铸锭，然后在520ºC保温8小时，取出后迅速浸入冷水中进行淬火。将固溶后样品加工成直径为47 mm的铸锭。将挤压筒加热到预设温度140℃，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热，预热时间设定为15 min。当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，依次放入挤压筒中，启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温。

按照GBT-228.1-2021《金属材料-拉伸试验-第1部分：室温试验方法》的标准对本发明实施例2制备得到的Mg-5.5Li-0.25Ce挤压件进行室温力学性能测试，拉伸方向平行于挤压方向，检测结果列于表1。

实施例

在高纯氩气保护下熔炼制备Mg-5.5Li-0.5Ce（wt.%）铸锭，然后在520ºC保温8小时，取出后迅速浸入冷水中进行淬火。将固溶后样品加工成直径为47 mm的铸锭。将挤压筒加热到预设温度140℃，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热，预热时间设定为15 min。当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，依次放入挤压筒中，启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温。

按照GBT-228.1-2021《金属材料-拉伸试验-第1部分：室温试验方法》的标准对本发明实施例3制备得到的Mg-5.5Li-0.5Ce挤压件进行室温力学性能测试，拉伸方向平行于挤压方向，检测结果列于表1。

实施例

在高纯氩气保护下熔炼制备Mg-5.5Li-1.0Ce（wt.%）铸锭，然后在520ºC保温8小时，取出后迅速浸入冷水中进行淬火。将固溶后样品加工成直径为47 mm的铸锭。将挤压筒加热到预设温度140℃，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热，预热时间设定为15 min。当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，依次放入挤压筒中，启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温。

按照GBT-228.1-2021《金属材料-拉伸试验-第1部分：室温试验方法》的标准对本发明实施例4制备得到的Mg-5.5Li-1.0Ce挤压件进行室温力学性能测试，拉伸方向平行于挤压方向，检测结果列于表1。

表1实施例1至4所制备挤压件在挤压方向上的室温力学性能

以上所述是本发明的实施方案，应当指出，对于本技术领域一般的技术人员来说，在不脱离本发明专利的原理及核心思想的前提下，还可以做出若干的修饰和改进，这些修饰和改进也视为本发明专利的保护范围之内。

Claims

1.一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于，其质量百分比成分为Li=5.5wt.%，Ce=0~1.0wt.%，Fe≤0.05%，Cu≤0.05%，Si≤0.05%，Ni≤0.005%，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于，Ce=0.25wt.%。

3.根据权利要求1所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于，Ce=0.5wt.%。

4.根据权利要求3中所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于：挤压方向的屈服强度≥242MPa、抗拉强度≥303MPa、延伸率≥8%。

5.根据权利要求1所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于，Ce=1 wt.%。

6.根据权利要求5中所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金，其特征在于：挤压方向的屈服强度≥242MPa、抗拉强度≥298MPa、延伸率≥9%。

7.制取权利要求1-6中任意一项所述的一种超轻高强韧微合金化镁锂合金的中低温挤压成形工艺，其步骤在于：

（1）准备原料：按高强韧的Mg-Li-Ce变形合金的各组分质量百分比称取所需原料；

（2）铸锭熔炼：在保护气体保护下，将原料加入，等原料全部融化后充分搅拌均匀，熔液温度控制在700~750 °C，静置10~20分钟，清除表面浮渣，然后浇铸至预热到200~350 °C的铁模中，制得Mg-Li-Ce合金铸锭；

（3）固溶处理：用锡纸包裹住合金铸锭，然后埋藏在石墨粉中进行固溶处理，固溶温度520ºC，固溶时间8 h，固溶完毕后迅速浸入冷水中进行淬火，以形成均匀的过饱和固溶体；

（4）中低温反向挤压：将固溶好的样品加工成直径为47 mm的铸锭，将挤压筒加热到预设温度140°C，将合金铸锭及模具同时放入到电阻炉内进行预热以避免铸锭与冷模接触时产生裂纹，预热时间设定为15 min；当加热筒温度达到设定温度后，同时挤压锭和模具已受热均匀时，立即从电阻炉中取出合金铸锭和模具，涂抹上石墨润滑剂后依次放入挤压筒中，随后启动挤压机，挤压速度为~0.35 mm/s，挤压比为25:1，挤出直径为10 mm的镁合金棒材，挤出的棒材空冷至室温。

8.根据权利要求7所述的超轻高强韧微合金化镁锂合金挤压成形工艺，其特征在于步骤（4）中优选的挤压成形工艺是：选取140℃作为挤压温度。