一种高强度高模量单相镁锂合金及制备方法技术

本发明专利技术公开一种高强度高模量单相镁锂合金及制备方法，属于镁锂合金新材料和制造的技术领域。所述高强度、高模量单相镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Li：0.5

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高模量单相镁锂合金及制备方法


[0001]本专利技术属于镁锂合金新材料和制造的
，涉及一种高强度高模量单相镁锂合金及制备方法。

技术介绍

[0002]镁及镁合金作为性能优异的轻型结构材料，具有较高的比强度、比刚度和易回收等特点，在航空航天、汽车工业的结构材料减重等方面应用具有有利地位。然而镁合金的HCP结构，使其在塑性变形过程中滑移系少，各向异性大，限制了其室温延展性能。镁锂合金不仅具有镁合金的优异特点，还使其室温变形能力得到有效提升，各向异性效应降低，具有室温加工优势。但镁锂合金耐蚀性差，绝对强度较低，难以满足结构材料的性能要求。因此，改善镁锂合金的综合性能显得尤为迫切和重要。
[0003]在镁锂合金中，往镁中添加锂元素可使镁合金的晶体结构发生转变。根据镁锂二元相图可知：当Li添加量低于5.7wt.％时，合金由单一的α
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Mg相组织组成，晶体结构为hcp；当Li添加量在5.7
‑
10.3wt.％之间时，合金由α+β双相组织组成，晶体结构为hcp+bcc的双相结构；当Li添加量超过10.3wt.％时，合金变成bcc结构的β
‑
Li相，但是随着β
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Li相的增多，镁锂合金的强度下降。我国镁锂合金的研究起步较晚，目前使用的单相镁锂合金抗拉强度仅为160MPa左右，如何调节镁锂合金中Li元素的含量，使得新型镁锂合金成分、组织结构和综合性能满足其在结构材料性能的需求，已成为目前研究的重点。
[0004]为了提高镁锂合金铸锭的强度，研究者们提出了细晶强化、固溶强化、析出强化、弥散强化和形变强化等复合强化效果。合金化是改善金属材料综合力学性能最主要的途径，如在镁中添加Al、Zn、Mn和稀土元素等，在提高镁锂合金铸锭的强度、硬度、弹性模量和高温稳定性方面发挥着很大的作用。
[0005]现阶段关于镁锂合金铸锭的研究已经有很多：
[0006]例如：中国专利CN114015918A公开了一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法，其中虽然提到了低密度高强度高模量，但是显然Li添加量超过10.3wt.％，晶体结构中包含bcc结构的β
‑
Li相，锂元素消耗量大，成本高；添加的过多且会使得熔体的氧化和蒸发更为恶化，耐蚀性能严重降低，并产生应力腐蚀。
[0007]中国专利CN106148786A公开了一种高强度铸造镁锂合金及其制备方法，Li添加量在5.7
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10.3wt.％之间和超过10.3wt.％都有，故而组织结构分别为所制备材料中合金由α+β双相组织组成和β
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Li相单相组成，晶体结构分别为hcp+bcc的双相结构和bcc单相结构；其中：α+β双相组织的镁锂合金滑移系多，塑性高，从而使镁锂合金具有较大的冷变形能力，不过随着Li含量的增加，镁锂合金的强度下降，实施例2中抗拉强度仅有258MPa；β
‑
Li相组织的镁锂合金会使得所制备材料耐蚀性非常差。
[0008]中国专利CN104928550A公开了一种高强度高弹性模量铸造镁合金及其制备方法，所获得的铸造镁合金的抗拉强度和弹性模量较高；然而Gd添加量大，其实作为主要添加合金元素，不仅会增加镁合金铸锭的密度，而且纯Li极易被氧化和燃烧，热处理为较高温度的
固溶+较高温度的时效，故而所得的铸造镁合金的密度较高，塑性较差。
[0009]中国专利CN103290286A公开了一种铸态高强韧镁锂合金及其制备方法，其室温下的抗拉强度为215
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255MPa，延伸率为12
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17％，显然力学性能较低，弹性模量也较低，制备方式中也未关注纯Li极易被氧化和燃烧的技术问题。
[0010]综上，现有技术中的镁锂合金铸锭的成分选择、制备方法、以及热处理对其强度、硬度和弹性模量等方面的影响或多或少都存在问题，例如：密度高了弹性模量也高，塑性并不高；抗拉强度和弹性模量高而密度高，塑性差；抗拉强度、弹性模量和密度低，塑性高等问题；还有纯Li极易被氧化和燃烧的问题。故而不能够在保证塑性高的前提下获得高强度高模量单相镁锂合金的成分选择、制备方法、以及热处理对其强度、硬度和弹性模量等方面的有益效果。

技术实现思路

[0011]本专利技术所要解决的技术问题是镁锂合金铸锭的成分选择、制备方法、以及热处理对其强度、硬度和弹性模量等方面的影响或多或少都存在问题，以及如何在保证塑性高的前提下获得高强度高模量单相镁锂合金及其制备方法。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]一种高强度高模量单相镁锂合金，所述高强度、高模量单相镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Li：0.5
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5.5wt.％，Al：1
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6wt.％，Nd：2
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6wt.％，Y：2
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6wt.％，Dy：2
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14wt.％，Ag：1
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4wt.％，Zn：0.5
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6wt.％，Er：0
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3wt.％，Zr：0
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3wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Er和Zr元素的含量选择不能为0。
[0014]其中Nd和Y两种混合稀土元素的添加不仅可以降低生产成本，还可以形成高温硬质相Mg
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RE沉淀相弥散分布在基体中，通过沉淀强化和细晶强化效应有效改善镁锂合金的室温和高温力学性能以及抗蠕变能力。
[0015]Al元素的添加能够促进镁锂合金中形成亚稳态的强化相MgAlLi2相，有效的促进合金的固溶强化和沉淀强化效果，改善镁锂合金的强度。
[0016]Zn元素在镁锂合金中主要生成MgZnLi2相，通过固溶强化和析出强化的效果提高镁锂合金的强度。
[0017]Ag元素的添加会溶入到Mg的间隙当中形成间隙固溶体，从而使得合金的晶体结构发生畸变，起到较强的固溶强化和时效强化的作用。另外Ag元素能够与Mg、Li元素结合生成第二相，这些第二相以颗粒状分布于合金基体中，强化合金的基体。因此，在镁锂合金中添加Ag，能提高镁锂合金的抗拉强度和弹性模量，但同时会降低镁锂合金的耐腐蚀性。
[0018]Zr元素的添加能够成为镁锂合金异质形核的核心并抑制晶粒长大，起到细晶强化的作用。稀土元素Er能够对镁锂合金熔体有很好的净化作用，具有除氢净化及除氧化夹杂物的作用。
[0019]优选地，所述高强度高模量单相镁锂合金中的杂质元素总量<0.03wt.％。
[0020]优选地，所述杂质元素为Si、Fe、Cu和C等。
[0021]优选地，所述高强度高模量单相镁锂合金的综合力学性能：密度为1.45
‑
1.75g/cm3，硬度为55
‑
75HV，抗拉强度为280
‑
420MPa，屈服强度为220
‑
245MPa，屈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度高模量单相镁锂合金，其特征在于，所述高强度、高模量单相镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Li：0.5
‑
5.5wt.％，Al：1
‑
6wt.％，Nd：2
‑
6wt.％，Y：2
‑
6wt.％，Dy：2
‑
14wt.％，Ag：1
‑
4wt.％，Zn：0.5
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6wt.％，Er：0
‑
3wt.％，Zr：0
‑
3wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Er和Zr元素的含量选择不能为0。2.根据权利要求1所述的高强度高模量单相镁锂合金，其特征在于，所述高强度高模量单相镁锂合金中的杂质元素总量<0.03wt.％。3.根据权利要求1所述的高强度高模量单相镁锂合金，其特征在于，所述高强度高模量单相镁锂合金的综合力学性能：密度为1.45
‑
1.75g/cm3，硬度为55
‑
75HV，抗拉强度为280
‑
420MPa，屈服强度为220
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245MPa，屈强比为58.3
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78.5％，致密度为70
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74％，延伸率为8.0
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20.0％，弹性模量为56
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65Gpa。4.根据权利要求1
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3任一所述的高强度高模量单相镁锂合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：S1、配置原料按照所述高强度高模量单相镁锂合金中元素化学成分质量比将纯Mg、纯Li、纯Ag、纯Al、纯Zn、Mg
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Dy中间合金、Mg
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Nd中间合金、Mg
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Y中间合金、Mg
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Zr中间合金和Mg
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Er中间合金作为原料称重准备；S2、预热原料将步骤S1配置好的原料以及坩埚在100
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200℃的热处理炉中预热0.5
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2.5h；S3、电磁感应加热炉的气压调整将步骤S2中预热好的原料放入预热好的坩埚中的不同位置并放入电磁感应加热炉，关闭炉盖；S4、真空熔炼步骤S3中关闭炉盖后，设置真空感应炉的加热功率为60％
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100％、熔炼温度为680
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780℃，升温加热，直至镁锂合金原料完全熔化形成合金熔体；S5、搅拌通过程序调整电磁感应炉的功率在20％
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100％之间负荷振动，振动时间为10
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30min，从而自动搅拌步骤S4的合金熔体；S6、浇铸步骤S5中的电磁搅拌自动搅拌结束后，降低坩埚内的温度并保温，随后从坩埚底部将坩埚内的合金熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊升，苏辉，田光元，李应举，杨兴海，薛程鹏，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：