一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法技术

本发明专利技术提供一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金及其制备方法，属于高强度合金及其制备技术领域。所述LPSO长周期结构增强的镁锂合金，包括Li、Gd、Y、Zn、Zr、Mg和不可避免的杂质元素。本申请提供的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法，通过同时添加Gd、Y和Zn元素，将Gd、Y和Zn元素固溶于镁锂合金基体中，并通过均匀化、塑性变形和时效热处理在α‑Mg相和β‑Li相中自生获得层片状的LPSO结构，起到了强化β‑Li相作用，从而强化合金。本申请获得了具有低密度、高强度、伸长率≥20％、并能够满足室温塑性变形的要求的双相镁锂合金，特别满足轻质高强、高塑性材料的需求。

Preparation of a LPSO long period structure reinforced magnesium lithium alloy

【技术实现步骤摘要】
一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法
本专利技术涉及高强度合金及其制备技术，特别是一种具有低密度、高强度、高伸长率的镁锂合金材料，利用自生获得LPSO结构强化的镁锂合金及制备方法。
技术介绍
由于镁锂合金在力学、电磁学和密度等方面具有特殊的优势，使该合金发展潜力巨大、应用优势显著。其具有优异的电磁屏蔽和抗辐射能力，能够满足抗外太空射线的辐射，并可能实现室温下的塑性变形成形，因此镁锂合金已经成为航空航天领域潜在的理想金属结构材料，可以用于电器仪表的框架、外壳、防护罩和防宇宙尘壁板等，充分发挥该合金的优异特性。其密度一般小于1.6g/cm3，甚至低于很多工程塑料和非金属复合材料。因此，镁锂合金是近几年材料领域全球关注的超轻结构金属材料。然而，尽管在金属镁中加入一定数量的金属锂可以获得双相组织，即hcp结构的富镁α-Mg相和bcc结构的富锂β-Li相。随着Li元素的增加，α-Mg相仍保持hcp结构，但晶轴比c/a向有利于塑性变形能力提高的方向变化，并且合金的密度随之降低。当α:β为1:1时，合金的伸长率可以达到50％以上，在共晶成分范围内可以进行热机械加工，并可能产生超塑性。甚至当合金中超过11wt％Li后，能够获得完全bcc结构的富锂β-Li相。由于bcc结构室温下五个滑移系都能开动，因此该合金表现出了优异的室温塑性变形能力，为室温塑性成形提供了可能。但在室温条件下，镁锂合金的强度极低，通常镁锂二元合金的抗拉强度低于100MPa。另外，随着锂含量的提高合金的抗蠕变性能随之显著降低。尽管在剧烈变形过程中连续bcc结构的富锂β相塑性极好，但富锂β相强度极低，变形硬化强化效果非常有限。因此，必须通过一定手段强化合金，尤其是强化β-Li相。强化合金的手段通常有以下四种，即(1)固溶强化，(2)细晶强化，(3)第二相强化，(4)位错强化。由于镁锂合金的特点，常用的合金化手段——固溶强化和沉淀强化增强镁锂合金的室温和高温强度的效果非常有限；一些稀土元素可以有效细化晶粒，但晶粒尺寸依然很难达到1-2μm，对力学性能的提高仍不理想；也有学者采用碳纤维、Al2O3、SiC、B4C、晶须及B颗粒等增强体制备Mg-Li基复合材料，然而这些增强体的加入不仅增加了材料的重量，而且破坏了材料的完整性，并且由于微电池效应直接影响其应力腐蚀能力，其强化效果和期望仍存在很大差距。另外，由于金属锂的活性，镁锂系合金熔炼比较困难、工艺复杂、绝对强度低、高温性能差、抗蚀性不好，尤其抗应力腐蚀性能差。因此，这些在一定程度上限制了该合金的广泛应用。
技术实现思路
本申请的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种高强度的Mg-Li-Gd-Y-Zn-Zr镁锂合金，其通过向镁锂合金中加入一定质量的Gd、Y和Zn元素，并加入微量的Zr以细化组织，并通过一定的热处理和塑性变形加工，在镁锂合金组织中自生获得LPSO长周期堆垛结构，使该合金拥有较低的密度和优良的力学性能，解决现有镁锂合金绝对强度低、高温性能差、可塑性差的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金，其特征在于：按质量百分比计，包括以下成分：Li9.5～12％，Gd8％，Y2～6％，Zn1～2％，Zr0.8％，不可避免的杂质元素总量不超过0.02％，其余为Mg。进一步地，所述杂质元素为Fe、Cu、Ni中的一种或几种的混合物。本专利技术的另一目的在于提供一种上述的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法。所述制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼及浇铸本步骤在氩气保护条件下完成；将预处理后的原材料依次放入容器内待熔化；待系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm时，开始加热、熔化各原材料；当镁锂合金液温度达到700℃以上时，开启深入在镁锂合金液内的搅拌管，用氩气搅拌；当镁锂合金液温度为740～760℃后，再搅拌10～15min，然后静置合金液10～15min并降温；待镁锂合金液温度降为700～720℃时浇铸，得到镁锂合金铸锭；(2)均匀化热处理将所述镁锂合金铸锭在500～520℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理10～20h，以在组织中充分获得LPSO层片状结构；(3)塑性成形将完成均匀化处理的所述镁锂合金在260～330℃进行塑性变形加工，以细化晶粒；(4)时效热处理将完成塑性变形加工的所述镁锂合金在180～220℃进行36～72h的时效处理。优选地，所述步骤(1)中，原材料依次按照纯Mg锭、Mg-Gd合金、Mg-Y合金、Mg-Zr合金、纯Zn锭和纯Li锭的顺序加入到容器中。优选地，所述Mg-Gd合金为Mg-25％Gd中间合金(质量分数)，Mg-Y合金为Mg-25％Y中间合金(质量分数)，Mg-Zr合金为Mg-25％Zr中间合金(质量分数)。进一步地，所述步骤(1)中使用的容器为纯钛材质的熔化坩埚。进一步地，所述步骤(1)中，浇铸时打开坩埚底部的柱塞，使合金液从坩埚底部流出并浇入底部具有水冷的铜铸型，获得镁锂合金铸锭。优选地，所述步骤(1)中预处理包括表面除污、烘干和称重。进一步地，所述步骤(1)中，熔化各原材料前，抽真空至系统压力低于1×10-3Pa时，通入氩气至压力为0.2～0.8atm，反复三次，最后系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm。进一步地，所述步骤(3)中，所述塑性变形加工采用挤压或轧制方式进行。本申请采用bcc结构的金属Li作为第一组分元素，Li的加入能够显著降低合金密度，同时可以在组织中获得β-Li相，因此可以改善合金塑性。当Li重量百分比含量为本申请所述的9.5～12％时，该合金组织为α-Mg和β-Li双相结构，此时该合金具有非常优异的塑性变形能力，但合金的强度非常有限；本申请采用Gd8％、Y2～6％和Zn1～2％作为第二类组分，目的是能够在α-Mg和β-Li双相结构中通过一定的热处理和塑性变形加工获得层片状LPSO结构，以强化合金。本申请采用Zr作为第三组分，Zr是镁合金中有效的细化剂，加入0.8％的Zr能够有效细化合金铸态组织，减小成分偏析，有利于缩短第二类合金元素在均匀化和时效热处理过程中的扩散距离，从而促进LPSO结构的析出。本专利技术具有的优点和积极效果是：(1)本申请提供的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法，通过同时添加Gd、Y和Zn元素，将Gd、Y和Zn元素固溶于镁锂合金基体中，并通过均匀化、塑性变形和时效热处理在α-Mg相和β-Li相中自生获得层片状的LPSO结构，起到了强化β-Li相作用，从而强化合金；(2)本申请提供的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法，通过添加微量的Zr元素，细化镁锂合金铸态组织，发挥细晶强化的效果，并减小成分偏析，有利于缩短第二类合金元素在均匀化和时效热处理过程中的扩散距离，从而促进LPSO结构的析出，进一步提高铸态和塑性变形加工合金的力学性能；(3)本申请获得了具有低密度、高强度、伸长率≥20％、并能够满足室温塑性变形的要求的双相镁锂合金，特别满足轻质高强、高塑性材料的需求；(4)本申请提供的制备方法，加工工序简单、方便，节约能源，降低成本。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步的描述。实施例1一种LPSO结构增强的高强度镁锂合金，按质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金，其特征在于：按质量百分比计，包括以下成分：Li 9.5～12％，Gd 8％，Y 2～6％，Zn 1～2％，Zr 0.8％，不可避免的杂质元素总量不超过0.02％，其余为Mg。

【技术特征摘要】
1.一种LPSO长周期结构增强的镁锂合金，其特征在于：按质量百分比计，包括以下成分：Li9.5～12％，Gd8％，Y2～6％，Zn1～2％，Zr0.8％，不可避免的杂质元素总量不超过0.02％，其余为Mg。2.根据权利要求1所述的LPSO长周期结构增强的镁锂合金，其特征在于：所述杂质元素为Fe、Cu、Ni中的一种或几种的混合物。3.一种如权利要求1或2所述的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)熔炼及浇铸本步骤在氩气保护条件下完成；将预处理后的原材料依次放入容器内待熔化；待系统保持内部的氩气压力为0.5～1atm时，开始加热、熔化各原材料；当镁锂合金液温度达到700℃以上时，开启深入在镁锂合金液内的搅拌管，用氩气搅拌；当镁锂合金液温度为740～760℃后，再搅拌10～15min，然后静置合金液10～15min并降温；待镁锂合金液温度降为700～720℃时浇铸，得到镁锂合金铸锭；(2)均匀化热处理将所述镁锂合金铸锭在500～520℃真空或氩气保护条件下进行均匀化处理10～20h；(3)塑性成形将完成均匀化处理的所述镁锂合金在260～330℃进行塑性变形加工；(4)时效热处理将完成塑性变形加工的所述镁锂合金在180～220℃进行36～72h的时效处理。4.根据权利要求3所述的LPSO长周期结构增强的镁锂合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，原...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春杰，王弋丹，马东，雷宇，刘帅宾，孙蕾，张忠明，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61