專利名稱：一種準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度鎂鋰合金及其制備技術(shù)，特別是一種具有低密度、高強(qiáng)度、較好塑性的變形鎂鋰合金材料——準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金及制備該合金材料的方法。
背景技術(shù)：
鎂合金作為一種新型的金屬材料，具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)。采用鋰(密度為0.534g/cm3)進(jìn)行合金化，不僅可以進(jìn)一步降低其密度，而且還可以增加密排六方鎂合金的塑性，這使得Mg-Li合金在航空航天和汽車等高新技術(shù)領(lǐng)域有著潛在的廣泛應(yīng)用前景。對(duì)于Mg-Li合金，當(dāng)Li含量低于5.5％時(shí)，其組織為L(zhǎng)i固溶于Mg晶格中形成的α-Mg固溶體。當(dāng)Li含量高于5.5wt.％，其主要相為hcp結(jié)構(gòu)的α固溶體和bcc結(jié)構(gòu)的β-Li相，而當(dāng)Li含量高于11.5wt.％時(shí)，合金將完全由β相組成。其中，雙相組織(α-Mg+β-Li)對(duì)于合金的強(qiáng)度和超塑性是有益的。
表1典型變形鎂鋰合金的拉伸力學(xué)性能

近年來(lái)，文獻(xiàn)(Mater.Lett.(材料快訊)60(2006)3272)和(Scr.Mater.(材料快報(bào))51(2004)1057)主要側(cè)重于下列兩種強(qiáng)化方式來(lái)提高M(jìn)g-Li合金的強(qiáng)度1)通過(guò)加入合金元素Al，Zn和Ca強(qiáng)化。2)進(jìn)行大的塑性變形來(lái)細(xì)化合金的微觀組織進(jìn)行強(qiáng)化。表1為上述文獻(xiàn)所報(bào)道的相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，文獻(xiàn)(Mater.Lett.(材料快訊)60(2006)1863)報(bào)道了5wt％Al2Y/Mg-Li復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度也僅為189MPa。可以看出，通過(guò)以上三種方法很難使合金的抗拉強(qiáng)度(UTS)超過(guò)200MPa，這極大的限制了Mg-Li合金在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了進(jìn)一步提高鎂鋰合金的力學(xué)性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提出一種新的強(qiáng)化方法是目前亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金及其制備方法，解決鎂鋰合金強(qiáng)化等問(wèn)題，通過(guò)合理選擇合金元素，將準(zhǔn)晶相引入到鎂鋰合金基體中，制備出了具有低密度、高強(qiáng)度、較好塑性的Mg-Li合金。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的含鋰鎂合金材料為準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金，是Mg-Li合金在α-Mg和β-Li雙相區(qū)的雙相鎂鋰合金，其組分及其含量為鋰(Li)含量為5.5～11.5％；鋅(Zn)含量為0.5～15％；釔(Y)含量為0.1～8％和余量的鎂(Mg)組成，所有百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；準(zhǔn)晶相的引入與鋅、釔含量密切有關(guān)，鋅和釔的重量比值(Zn/Y)為4.5～8。
本發(fā)明的鎂鋰合金材料其抗拉強(qiáng)度為σb＝200～300MPa，屈服強(qiáng)度為σ0.2＝150～260MPa，延伸率為δ＝17～65％，密度為1.34～1.83g/cm3。
本發(fā)明最重要的發(fā)現(xiàn)在于通過(guò)選取一定鋅釔比(Zn/Y＝4.5～8)，將準(zhǔn)晶相引入到含鋰鎂合金材料的基體中，使合金獲得了較高的強(qiáng)度且保留著較好的塑性。
本發(fā)明的強(qiáng)化機(jī)理主要為準(zhǔn)晶相具有的高硬度、低界面能、與基體具有共格關(guān)系等特點(diǎn)，可以有效的對(duì)含鋰鎂合金材料進(jìn)行強(qiáng)化。本發(fā)明合金成分是這樣確定的本發(fā)明鋰(Li)含量為5.5～11.5％，由于處于α-Mg和β-Li雙相區(qū)的鎂鋰合金具有較高的強(qiáng)度，因此本發(fā)明鋰含量的設(shè)計(jì)是要獲得處于α-Mg和β-Li雙相區(qū)的鎂鋰合金。
本發(fā)明鋅(Zn)和釔(Y)含量分別為0.5～15％和0.1～8％，由于準(zhǔn)晶相的引入與鋅，釔含量密切有關(guān)。當(dāng)鋅和釔的重量比值(Zn/Y)為4.5～8時(shí)，鋅和釔將以準(zhǔn)晶相形式存在于合金基體中。因此，本發(fā)明中鋅和釔含量的設(shè)計(jì)是充分保證將準(zhǔn)晶相引入到合金基體中，達(dá)到強(qiáng)化合金的目的。
本發(fā)明準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，包括向合金基體中引入準(zhǔn)晶相和后續(xù)的熱擠壓加工。其具體冶煉鑄造和后續(xù)熱擠壓加工過(guò)程的具體步驟如下1)烘干及預(yù)熱常規(guī)輔料(覆蓋/精煉劑)的烘干溫度為12～180℃；各種配料與澆鑄模具的預(yù)熱溫度為150～300℃；常用工具(攪拌器、掏渣勺、鐘型罩、澆鑄用料勺等)在700～740℃的熔融態(tài)洗滌熔劑中清洗及預(yù)熱。
2)鎂錠的熔化設(shè)定溫度720～740℃，升溫；當(dāng)坩堝預(yù)熱至暗紅色(400～500℃)時(shí)，清理坩堝內(nèi)殘?jiān)ㄈ隒O2氣體置換坩堝內(nèi)部的空氣，然后在坩堝內(nèi)壁及底部均勻地撒上一層覆蓋劑；加入已預(yù)熱的鎂錠，并在爐料上撒上一層覆蓋劑；此過(guò)程中覆蓋劑用量占爐料重量的0.1～1.0％；繼續(xù)升溫。
3)配料的加入當(dāng)鎂熔體溫度達(dá)到750～760℃時(shí)，在覆蓋劑保護(hù)下依照配料熔點(diǎn)由高到低的順序加入各種預(yù)熱好的鎂釔中間合金(Mg-24％Y)和鋅塊；配料全部熔化后，攪動(dòng)4～6分鐘，以使成分均勻；然后，除去表面熔渣，熔體表面撒以覆蓋劑。關(guān)閉電源，待溫度降至730～740℃，打開(kāi)電源，加入Li，充分?jǐn)嚢鑼⑵淙刍?在此過(guò)程中加入LiCl和LiF覆蓋劑，并通CO2或空氣和SF6保護(hù)氣體，按體積百分比，在99～99.5％CO2或空氣+0.3～1％SF6)；此工序中覆蓋劑的加入量以熔體表面不燃燒為準(zhǔn)。
4)熔體的精煉待溫度為720～730℃時(shí)，攪拌熔體7～10分鐘，使熔體自下而上翻滾，不得飛濺，并不斷在熔體的波峰上撒以精煉劑(LiBr)，其用量為爐料總重的0.5～2.5％。
5)熔體的保溫靜置精煉結(jié)束后，清除合金液表面、坩堝壁等處的熔渣，按體積百分比，在99～99.5％空氣(或CO2)+0.3～1％SF6混合氣體保護(hù)下掏渣，然后熔體表面撒以覆蓋劑，用量以熔體表面不燃燒為準(zhǔn)；將熔體升溫至760～780℃，保溫靜置20～30分鐘。
6)澆鑄成型工序?qū)⑷垠w降溫至750～760℃，在0.6∶1～1.4∶1(重量比)的硫磺和硼酸混合粉料和/或混合氣體(按體積百分比，在99～99.5％CO2或空氣+0.3～1％SF6)保護(hù)下進(jìn)行澆鑄。
7)擠壓成型工序?qū)㈣T錠在350～400℃下進(jìn)行10～16小時(shí)的均勻化處理后，進(jìn)行剝皮。將剝皮后的鑄錠在溫度為180～200℃下進(jìn)行變形加工成制品。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1、本發(fā)明通過(guò)控制合金元素中鋅釔比(Zn/Y)，將準(zhǔn)晶相引入到鎂鋰合金基體中。
2、本發(fā)明采用本發(fā)明方法獲得了具有低密度、高強(qiáng)度、較好塑性的雙相鎂鋰合金，特別適合于輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌的用材需求。
3、本發(fā)明加工工藝操作簡(jiǎn)單、方便。


圖1三種鎂鋰合金(實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3)的X-射線衍射圖譜。
圖2三種鎂鋰合金(實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3)主要相的掃描電鏡照片。
圖3三種鎂鋰合金(實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3)的室溫下力學(xué)性能。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1I)、合金組成按下列配比配置15千克含鋰鎂合金材料所稱取出的各元素為鋰(Li)1200克、鋅(Zn)480克、鎂釔中間合金(Mg-24％Y)375克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計(jì)，合金成分為Mg-8％Li-3.2Zn-0.6Y。
II)、合金冶煉及鑄造合金的冶煉在一個(gè)15公斤容量的坩堝和電阻爐中進(jìn)行。坩堝和鑄造用模具采用低碳鋼材質(zhì)。下面以實(shí)施例1為例，詳細(xì)闡述合金的冶煉和鑄造工藝。
1)設(shè)定坩堝目標(biāo)溫度為720℃，開(kāi)始加熱；然后將純鎂、純鋅、鎂釔中間合金、純鋰等各種配料放在烘箱中預(yù)熱至150℃，同時(shí)將占目的合金總重量2％的覆蓋劑(LiCl和LiF，按3∶1進(jìn)行重量配比)放入烘箱中烘烤；將澆鑄用模具在另外的箱式爐中預(yù)熱至300℃。
2)當(dāng)坩堝升溫至400℃時(shí)，通入CO2氣體至坩堝內(nèi)進(jìn)行氣體置換，然后在坩堝底部加入1/2左右的已烘烤的覆蓋劑，再后將預(yù)熱好的純鎂配料放入坩堝內(nèi)。
3)等純鎂配料熔化并且坩堝溫度穩(wěn)定在750℃后，根據(jù)熔點(diǎn)由高到低依次加入預(yù)熱的鎂釔中間合金和純鋅，然后熔體進(jìn)行攪拌約6分鐘；此過(guò)程中，酌情加入剩余的已烘烤的覆蓋劑，以表面不燃為準(zhǔn)。
4)待坩堝溫度降至730℃后，加入Li攪拌將其熔化，在此過(guò)程中加入LiCl和LiF覆蓋劑并通CO2或空氣和SF6混合氣體進(jìn)行保護(hù)，LiCl和LiF覆蓋劑的加入量為爐料重量的0.6％；按體積百分比，混合氣體為在99～99.5％空氣(或CO2)+0.3～1％SF6。
5)待坩堝溫度為730℃時(shí)，對(duì)熔體進(jìn)行精煉，攪拌熔體10分鐘，使熔體自下而上翻滾，不得飛濺，并不斷在熔體的波峰上(熔體波峰指在攪拌熔體時(shí)，熔體自下而上翻滾所引起的液面波動(dòng)，其中波動(dòng)較大處為熔體波峰位置)撒以精煉劑(LiBr)，精煉劑加入量為爐料總重的2％。
6)精煉結(jié)束后，清除合金液表面、坩堝壁等處的熔渣，然后熔體表面撒以覆蓋劑，用量以熔體表面不燃燒為準(zhǔn)；坩堝溫度穩(wěn)定在770℃后，熔體靜置20分鐘，按體積百分比，在99～99.5％空氣(或CO2)+0.3～1％SF6混合氣體保護(hù)下掏渣；7)掏渣完畢后，維持坩堝溫度穩(wěn)定在750℃，按體積百分比，在99～99.5％空氣(或CO2)+0.3～1％SF6混合氣體保護(hù)下澆鑄成型。
III)、熱擠壓加工1)將剝皮后的鑄錠在400℃下進(jìn)行12小時(shí)的均勻化處理。
2)將鑄錠剝皮。
3)將均勻化處理后的鑄錠在200℃下進(jìn)行變形加工成制品。
IV)、微觀組織表征組織觀察的樣品其制備過(guò)程如下采用1000號(hào)碳化硅水磨砂紙磨平表面；然后采用油基金剛石研磨膏機(jī)械拋光；合金中主要相經(jīng)X-射線衍射分析為α-Mg、β-Li、LiMgZn和Mg3Zn6Y(準(zhǔn)晶相I-phase)，相應(yīng)X-射線圖譜列在附圖1上；通過(guò)配有能譜裝置的電子掃描顯微鏡(Philips XL30 ESEM-FEG/EDAX)上可以確定合金中主要相的分布，相應(yīng)的掃描電晶照片列在附圖2(a)上。
V)、力學(xué)性能測(cè)試合金的室溫力學(xué)拉伸性能樣品參考中國(guó)國(guó)標(biāo)GB 228-76制備。拉伸樣品為圓棒狀，其軸線方向平行于材料的縱向，試樣標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為25mm，直徑為5mm。拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為1×10-3s-1。拉伸試驗(yàn)在MTS(858.01M)拉扭試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強(qiáng)度為222MPa，屈服強(qiáng)度為150MPa，延伸率為δ＝30.7％，密度為1.41g/cm3，相應(yīng)的拉伸曲線列在附圖3的序號(hào)1上。
實(shí)施例2I)、合金組成按下列配比配置15千克含鋰鎂合金材料所稱取出的各元素為鋰(Li)1200克、鋅(Zn)975克、鎂釔中間合金(Mg-24％Y)750克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計(jì)，合金成分為Mg-8％Li-6.5Zn-1.2Y。
II)、合金冶煉及鑄造參考實(shí)施例1的冶煉及鑄造。不同之處在于兩者的鋅(Zn)和釔(Y)含量不同。
III)、熱擠壓加工參考實(shí)施例1的擠壓工序。
IV)、微觀組織表征參考實(shí)施例1的微觀組織表征。合金中主要相為α-Mg、β-Li、LiMgZn、Mg3Zn6Y(準(zhǔn)晶相I-phase)和Mg3Zn3Y(W-phase)，相應(yīng)X-射線圖譜列在附圖1上；與實(shí)施例1中合金相比，該合金中的準(zhǔn)晶相I-phase的數(shù)量明顯增加，相應(yīng)的掃描電晶照片列在附圖2(b)上。
V)、力學(xué)性能測(cè)試參考實(shí)施例1的力學(xué)性能測(cè)試。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強(qiáng)度為239MPa，屈服強(qiáng)度為160MPa，延伸率為δ＝20.4％，密度為1.52g/cm3，相應(yīng)的拉伸曲線列在附圖3的序號(hào)2上。
實(shí)施例3I)、合金組成按下列配比配置15千克含鋰鎂合金材料所稱取出的各元素為鋰(Li)1200克、鋅(Zn)1620克、鎂釔中間合金(Mg-24％Y)1187克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計(jì)，合金成分為Mg-8％Li-10.8Zn-1.9Y。
II)、合金冶煉及鑄造參考實(shí)施例1的冶煉及鑄造。不同之處在于兩者的鋅(Zn)和釔(Y)含量不同。
III)、熱擠壓加工參考實(shí)施例1的擠壓工序。
Iv)、微觀組織表征參考實(shí)施例1的微觀組織表征。合金中主要相為α-Mg、β-Li、LiMgZn、Mg3Zn6Y (準(zhǔn)晶相I-phase)和Mg3Zn3Y(W-phase)，相應(yīng)X-射線圖譜列在附圖1上；與實(shí)施例1和實(shí)施例2中的合金相比，該合金中不僅準(zhǔn)晶相I-phase的數(shù)量明顯增加，而且W-phase(立方相Mg3Zn3Y)也開(kāi)始出現(xiàn)，相應(yīng)的掃描電晶照片列在附圖2(c)上。
V)、力學(xué)性能測(cè)試參考實(shí)施例1的力學(xué)性能測(cè)試。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強(qiáng)度為247MPa，屈服強(qiáng)度為166MPa，延伸率為δ＝17.1％，密度為1.72g/cm3，相應(yīng)的拉伸曲線列在附圖3的序號(hào)3上。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金，其特征在于Mg-Li合金是在α-Mg和β-Li兩相區(qū)的雙相鎂鋰合金，其組分及其含量為鋰含量為5.5～11.5％；鋅含量為0.5～15％；釔含量為0.1～8％；鎂含量為平衡余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金，其特征在于鋅和釔的重量比值Zn/Y為4.5～8。
3.按照權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金，其特征在于合金中釔含量?jī)?yōu)選范圍為0.5～1.5％；鋅含量?jī)?yōu)選范圍為2.5～8％。
4.按照權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金，其特征在于合金的抗拉強(qiáng)度為σb＝200～300MPa；合金的屈服強(qiáng)度為σ0.2＝150～260MPa；合金的延伸率為δ＝17～65％；合金的密度為1.34～1.83g/cm3。
5.按照權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，其特征在于合金熔煉及后續(xù)熱擠壓加工變形過(guò)程如下1)按鋅釔重量比Zn/Y＝4.5～8比稱取出合金元素鋅和釔；2)在溫度為720～740℃時(shí)，加入合金原料純鎂；2)在溫度為750～760℃時(shí)，加入合金元素鋅和鎂釔中間合金Mg-24％Y；3)在溫度降至730～740℃時(shí)，加入合金元素鋰；4)在溫度為720～730℃時(shí)，對(duì)合金進(jìn)行精煉；5)在溫度為750～760℃，進(jìn)行澆鑄；6)將剝皮后的鑄錠在350～400℃下進(jìn)行10～16小時(shí)的均勻化處理；7)將鑄錠剝皮；8)將均勻化處理后的鑄錠在180～200℃下進(jìn)行變形加工成制品。
6.按照權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，其特征在于在加合金元素鋰時(shí)，采用LiCl和LiF覆蓋劑，并通CO2或空氣和SF6混合氣體進(jìn)行保護(hù)，LiCl和LiF的重量比為(3∶1)～(4∶1)，LiCl和LiF的重量占合金總重量的2～4％；按體積百分比，混合氣體為99～99.5％CO2或空氣和0.3～1％SF6混合。
7.按照權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，其特征在于精煉過(guò)程中，在熔體的波峰上撒精煉劑LiBr對(duì)合金進(jìn)行精煉，用量為爐料總重的0.5～2.5％。
8.按照權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，其特征在于在澆鑄時(shí)，用重量比0.6∶1～1.4∶1的硫磺和硼酸混合粉料和/或混合氣體進(jìn)行保護(hù)，硫磺和硼酸的加入量占合金總重量的0.5～1％，按體積百分比，混合氣體為99～99.5％CO2或空氣與0.3～1％SF6混合。
9.按照權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金的制備方法，其特征在于精煉結(jié)束后，熔體表面撒以覆蓋劑，在坩堝溫度穩(wěn)定在760-780℃后，熔體靜置20～30分鐘；然后，按體積百分比，在99～99.5％空氣或CO2和0.3～1％SF6混合氣體保護(hù)下掏渣。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度鎂鋰合金及其制備技術(shù)，特別是一種準(zhǔn)晶相強(qiáng)化鎂鋰合金及其制備方法，解決鎂鋰合金強(qiáng)化等問(wèn)題，通過(guò)合理選擇合金元素，將準(zhǔn)晶相引入到鎂鋰合金基體中，制備出了具有低密度、高強(qiáng)度、較好塑性的Mg－Li合金。該含鋰鎂合金材料是Mg－Li合金在α－Mg和β－Li兩相區(qū)的雙相合金，其組分及其含量為鋰(Li)含量為5.5～11.5％；鋅(Zn)含量為0.5～15％；釔(Y)含量為0.1～8％和余量的鎂(Mg)組成，所有百分?jǐn)?shù)為重量百分?jǐn)?shù)。經(jīng)合金熔煉及后續(xù)熱擠壓加工變形成制品，其加工工藝操作簡(jiǎn)單、方便。本發(fā)明材料的抗拉強(qiáng)度為σ
文檔編號(hào)B22D21/04GK1948532SQ20061013411
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者許道奎, 韓恩厚, 劉路, 高國(guó)忠, 陳榮石 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所