适于砂型铸造的镁锂合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种适于砂型铸造的镁锂合金及其制备方法，所述镁锂合金包括：3～10wt.％Li，2～7wt.％Al，0.5～3.5wt.％Zn，0.5～3wt.％Nd，0.5～3wt.％Ce，0.05～0.2wt.％Ti，0.005～0.05wt.％C，余量为Mg和不可避免的杂质。所述制备方法包括熔炼和热处理。本发明专利技术以Li、Al和Zn作为主要合金元素，并添加Nd和Ce以及Ti和C，以提高砂型铸造镁锂合金的固溶强化效果，减少缩松缺陷，改善砂型铸造性能，并抑制合金在砂型铸造以及而后固溶过程中的晶粒长大，降低Li元素偏析并提高Li元素收得率。本发明专利技术在不明显提高合金成本的情况下，镁锂合金晶粒得到较好的细化，具有优良的砂型铸造成型性能及较高的综合力学性能和价格低廉的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种镁合金及其制备方法，具体地说，涉及的是一种适于砂型铸造的镁锂合金及其制备方法。
技术介绍
航空、航天和武器装备等由于特殊的工作环境，结构减重和结构承载与功能一体化是其发展的重要方向，镁锂合金具有密度小、比强度和比刚度高、抗震性能优良和切削加工性能好等优点，在航空航天和国防军事工业领域具有广阔的应用前景。不过，航空航天镁合金部件大多因结构复杂、尺寸大而采用低压砂型铸造方法生产。镁锂合金低压砂型铸造是先进材料与先进工艺结合的新技术，在复杂内腔、分型困难、大尺寸的铸件生产应用上将显示出巨大的潜力。不过，尽管砂型铸造具有一系列独特的技术优势，但由于砂型铸造在金属充型和凝固期间同时进行着金属-铸型(包括涂料)界面间的热交换过程，大大降低了金属-铸型界面传热系数，以致铸件冷却速度慢，晶粒粗化现象十分严重，易出现严重的缩松、热裂等缺陷，β析出相呈粗大网状形态，铸件致密性差。粗大的组织降低了镁锂合金的力学性能，难以满足零部件对力学性能的指标要求，因此，目前还没有砂型铸造镁锂合金特别是低压砂型铸造镁锂合金的系统研究报道。经对现有技术的文献检索发现，中国专利技术专利号为ZL201310177285.1的专利公开了一种高强度镁锂合金及其制备方法，所专利技术的Mg–Li–RY–Zn镁锂合金(RY为富Y混合稀土)在真空环境下熔炼并进行金属型铸造，然后再进行至少2道次热挤压，合金抗拉强度、屈服强度和延伸率可分别达到220-260MPa、180-220MPa和15-25％，但采用该类合金进行砂型铸造时，晶粒尺寸达到150μm，铸态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别仅为182MPa、144MPa和16％，没有满足产品的力学性能指标要求。因此，开发适于砂型铸造的镁锂合金是发展镁锂合金材料的重要课题。为了改善砂型铸造镁锂合金的力学性能，减少缩松、减小第二相的大小和改善铸造缺陷，可通添加微量稀土元素而进行微合金化来调整材料的组织和性能。镁锂合金中常用的合金元素包括Al、Zn、Si等，但是之前的研究表明，这些元素对于镁锂合金强度的提升幅度非常有限。稀土是镁合金有效的强化元素，研究表明，La、Gd等稀土单独添加或混合添加对于镁锂合金强度有一定的提升作用。许道奎等公开了《一种准晶相强化镁锂合金及其制备方法》(公开号CN 1948532A)，通过控制Zn和Y的配比，在合金中形成准晶强化相，获得一种具有较高强度的变形镁锂合金。与此相似，张扬等也公开了《一种高强度镁锂合金的制备方法》(公开号CN104004949A)，通过控制Zn和Gd的配比，也在合金中形成准晶强化相，获得一种具有较高强度的变形镁锂合金。但这两类镁合金都是在真空环境下金属型铸造制备的。因此，为了改善砂型铸造镁锂合金的组织性能，减少其缺陷，提高砂型铸造镁锂合金铸件的成品率，很有必要对现有的镁锂合金的化学成分进行调整，开发出适合于砂型铸造的专用镁锂合金材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适于砂型铸造的专用砂型铸造镁锂合金及其制备方法，使得到的镁锂合金具有良好的砂型铸造成型性能、较高的综合力学性能，具有良好的市场应用前景。本专利技术针对砂型铸造的特点，从细化砂型铸造镁锂合金的晶粒、减少镁锂合金的缩松缺陷出发，在Mg–Li合金中添加Al和Zn与镁合金中的Mg和Li元素发生反应生成稳定的共晶相，降低合金熔体的结晶范围，并改善熔体流动性；然后，添加稀土元素Nd和Ce、以及细化剂Ti和C元素，增加固溶和时效强化效果，细化镁锂合金的晶粒和析出相，减少其缩松缺陷，改善其铸造性能及力学性能。该类镁锂合金可以用于复杂结构航空航天零部件的砂型铸造。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种适于砂型铸造的镁锂合金，由按重量百分数计的如下元素组成：3～10wt.％Li，2～7wt.％Al，0.5～3.5wt.％Zn，0.5～3wt.％Nd，0.5～3wt.％Ce，0.05～0.2wt.％Ti，0.005～0.05wt.％C，余量为Mg和不可避免的杂质。优选地，所述杂质包括总量小于0.02wt.％的Si、Fe、Cu和Ni。本专利技术的合金配方中，Al和Zn可以提高熔体流动性，有明显的固溶强化效果。Nd和Ce等稀土在我国储量丰富，成本低。Nd和Ce能改善镁锂合金的铸造性能，减少晶界低熔点析出物，增加流动性，有效地减少镁锂合金的缩松缺陷，提高综合力学性能和良好的固溶强化效果。通过Nd和Ce对晶界的强化，及其与Al、Zn对合金的力学性能的有益作用，通过各种元素的合理搭配，使得砂型铸造镁锂合金具有更高的抗拉强度和屈服强度。Ti属于过渡族金属，其晶格与镁合金相同，晶格常数为a＝0.29512nm，c＝0.46845nm。Ti是镁的包晶系元素，包晶温度下(651℃)Ti在Mg中的固溶度为0.2wt.％。Ti作为铝合金细化剂的工业应用已经比较成熟，其中TiC粒子为主的Al-Ti-C中间合金，因其良好的形核能力、较小的尺寸和聚集倾向，成为目前研究和应用最为广泛的铝熔体形核剂。但有关Ti在镁锂合金中应用研究还没有报道。Ti加入镁熔体内，在凝固过程中，Ti极低的溶解度使其在液固界面前沿扩散区内富集，这样不仅阻碍了界面前Al原子的扩散，从而抑制了枝晶的生长，而且在液固界面前产生较大的成分过冷，因而激活了成分过冷区内形核质点的形核。同时，Ti可能与镁熔体内的C形成TiC化合物，该化合物与镁的晶格常数错配度非常小，可作为异质形核的基底。当加入Al-Ti-C中间合金时，在熔体中将释放出TiC粒子，从而增加了镁锂合金凝固时异质核心的数量，使合金组织更加细化。Al-Ti-C对砂型铸造镁锂合金的晶粒细化和β相形态的改善，消除了粗大的化合物相对基体的割裂及对晶界的弱化作用，提高了合金中的滑移和孪生等塑性变形方式开动的可能性，所以合金的塑性得到提高。同时，由于拉伸试验中合金变形强化能力的提高，合金的总体强度也有所提高。本专利技术还提供了一种适于砂型铸造的镁锂合金的制备方法，所述制备方法包括熔炼步骤、热处理步骤。优选地，所述熔炼步骤具体采用以下方法：A1、烘料：按所述镁锂合金中各元素的化学计量比分别称取纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg–Nd中间合金、Mg–Ce中间合金、Al–Ti中间合金、Al–Ti–C中间合金和Li棒，将上述所有原料在180℃～250℃分别预热3小时；A2、熔镁：将烘干后的纯Mg加入锂盐保护熔剂后放入坩埚电阻炉中熔化形成镁液；A3、加Al、Zn、Nd、Ce、Ti和C：当所述镁液的温度达到690℃～730℃时，往所述镁液中加入纯Al，待所述纯Al熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入纯Zn，待所述纯Zn熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入中间合金Mg–Nd和Mg–Ce，待所述Mg–Nd和Mg–Ce熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入中间合金Al–Ti和Al–Ti–C；A4、加Li：待所述中间合金Al–Ti和Al–Ti–C完全熔化后，熔体温度降至680℃～700℃，将称量好的所述Li棒用不锈钢钟罩将其压入熔体中，待所述Li棒完全熔解后取出钟罩；A5、精炼：待所述Li棒完全熔化后，熔体温度回升至690℃～710℃，加入精炼熔剂进行精炼；A6、铸造：经精炼后的熔体浇铸到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于砂型铸造的镁锂合金，其特征在于，包括以下重量百分数计的各元素：3～10wt.％Li，2～7wt.％Al，0.5～3.5wt.％Zn，0.5～3wt.％Nd，0.5～3wt.％Ce，0.05～0.2wt.％Ti，0.005～0.05wt.％C，余量为Mg和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种适于砂型铸造的镁锂合金，其特征在于，包括以下重量百分数计的各元素：3～10wt.％Li，2～7wt.％Al，0.5～3.5wt.％Zn，0.5～3wt.％Nd，0.5～3wt.％Ce，0.05～0.2wt.％Ti，0.005～0.05wt.％C，余量为Mg和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述的适于砂型铸造的镁锂合金，其特征在于，所述杂质含量小于0.02wt.％，所述杂质包括Si、Fe、Cu和Ni。3.一种如权利要求1所述的适于砂型铸造的镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括熔炼步骤、热处理步骤。4.如权利要求3所述的高强度铸造镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼步骤具体采用以下方法：A1、烘料：按所述镁锂合金中各元素的化学计量比分别称取纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg–Nd中间合金、Mg–Ce中间合金、Al–Ti中间合金、Al–Ti–C中间合金和Li棒，将上述所有原料在180℃～250℃分别预热3小时；A2、熔镁：将烘干后的纯Mg加入锂盐保护熔剂后放入坩埚电阻炉中熔化形成镁液；A3、加Al、Zn、Nd、Ce、Ti和C：当所述镁液的温度达到690℃～730℃时，往所述镁液中加入纯Al，待所述纯Al熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入纯Zn，待所述纯Zn熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入中间合金Mg–Nd和Mg–Ce，待所述Mg–Nd和Mg–Ce熔化后，熔体温度回升至700℃～730℃时加入中间合金Al–Ti和Al–Ti–C；A4、加Li：待所述中间合金Al–Ti和Al–Ti–C完全熔化后，熔体温度降至680℃～700℃，将称量好的所述Li棒用不锈钢钟罩将其压入熔体中，待...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文才，肖旅，吴国华，田莹，邹文兵，李中权，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31