一种α单相高强韧Mg-Li合金材料及其制备方法技术

一种α单相高强韧Mg

【技术实现步骤摘要】
一种
α
单相高强韧Mg
‑
Li合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于有色金属材料
，特别涉及一种α单相高强韧Mg
‑
Li合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]Mg
‑
Li合金密度一般为0.9～1.6g/cm3，是钢铁的1/5，铝合金的1/2，比普通镁合金还要轻1/4～1/3，因此被称为超轻合金。同时，其具有高比强度、高比刚度，抗压强度、塑性和较低的冲击韧度、低缺口敏感性、阻尼性能及良好的电磁屏蔽性能等特点，已经成为航天领域新一代的轻质结构材料之一，具有广阔的应用前景。然而，绝对强度低、力学性能稳定性差、强度和密度难匹配等因素严重限制了Mg
‑
Li合金在航天领域的应用。因此，针对新型卫星等航天器轻量化发展需求，需要开发出新型高强韧Mg
‑
Li合金材料以代替传统铝合金，满足承载要求，实现整体结构减重。
[0003]根据镁锂二元相图，当锂的含量低于5.7wt％时，合金呈现密排六方结构的α
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Mg单相组织；当继续增加锂含量，开始出现体心立方结构的β
‑
Li相，合金呈现典型的α+β双相结构；当锂含量超过10.3wt％时，合金呈现β
‑
Li单相组织。具有α相基体的合金强度较高，但塑性较差。与α相相比，β相是一种相对“软化相”，具有体心立方晶体结构，滑移系较多，因此具有β相基体的高Li含量合金塑性变形加工性能一般较好，但传统塑性变形(如挤压、锻造、轧制等)对α+β双相结构或者β单相结构合金的强化作用低于α单相结构合金，致使合金强度普遍偏低，同时合金热稳定性和耐蚀性也受到影响。合金化是提升Mg
‑
Li合金材料力学性能的重要方法之一，目前研究主要集中在通过添加Al、Zn、Ca、Ag、稀土元素等合金元素引入高温稳定相抑制时效软化，或者结合固溶时效热处理等手段获得弥散析出相达到强化合金的目的。这些合金元素的加入普遍导致Mg
‑
Li合金塑性的降低，特别是α单相结构合金的塑性加工性能下降明显，给材料后续加工制备带来困难，导致较差的力学性能而无法满足使用。因此，有必要开发出一高强韧Mg
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Li合金材料，以满足航天领域中对高性能结构减重材料的迫切需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种α单相高强韧Mg
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Li合金材料及其制备方法，通过合理选择合金元素并控制其含量和配比，同时结合真空铸造、热处理和塑性变形等工艺步骤获得满足低密度、高强度和高延伸率目标需求的α单相高强韧的Mg
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Li合金材料。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]第一方面，一种α单相高强韧Mg
‑
Li合金材料，包括：按质量百分比计包含：Li：0～6wt.％，Al：2～5wt.％，Sn：1～3wt.％，稀土元素：0.5～3wt.％，Mn：0～1wt.％，Ca：0～0.5wt.％，余量为镁和不可避免的杂质，其中，杂质总量在Mg
‑
Li合金材料中的占比小于0.1wt.％。
[0007]作为优选方案，按质量百分比计包含：Li：3～6wt.％，Al：2.5～5wt.％，Sn：1.5～3wt.％，稀土元素：0.5～2wt.％，Mn：0～0.5wt.％，Ca：0～0.5wt.％，余量为镁和不可避免的杂质，杂质总量在Mg
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Li合金材料中的占比小于0.02wt.％。
[0008]优选地，所述稀土元素为单一稀土元素Y或者富Y混合稀土中的任意一种；其中，富Y混合稀土为Y占稀土总量85wt.％以上的混合稀土。
[0009]优选地，一种α单相高强韧Mg
‑
Li合金材料，按质量百分比计包含：Li：3～6wt.％，Al：2.5～5wt.％，Sn：1.5～3wt.％，稀土元素(RE)：0.5～2wt.％，Mn：0～0.5wt.％，Ca：0～0.5wt.％，余量为镁和不可避免的杂质，其中，所述杂质包括Si、Fe、Cu和Ni的其中一种或多种，杂质总量小于0.02wt.％。
[0010]本专利技术中提及的Mg
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Li合金中Li的含量为0～6wt.％，可以保证合金材料密度较低，具有较高的基础力学性能，同时有利于通过塑性变形方式达到显著的细晶强韧化效果，避免了Li含量过高对合金强度、热稳定性和耐蚀性的不利影响。
[0011]本专利技术向Mg
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Li合金中添加Al元素，Al在Mg中的固溶度较大，固溶强化作用明显，同时能与Mg、Li、RE元素形成强化析出相。然而，Al含量过低无法达到预期强化效果，但含量过高第二相颗粒尺寸变大会使强韧性下降，同时会形成AlLi软化相，导致过时效的产生。另外，Al元素密度较低，对合金的密度影响较小。
[0012]本专利技术向Mg
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Li合金中添加Al元素的同时加入了Sn、RE元素，通过控制其含量，在保证合金密度较低的条件下，不仅可以产生固溶强化效果，同时还可以形成MgLi2Sn、Al2RE、Al3RE等高温稳定强化相分布于晶界和相界起到强化作用，同时抑制了软质AlLi相的形成，提高合金强度和其力学性能的热稳性。同时，Sn、RE元素的添加可以有效细化合金组织，可进一步改善合金的强韧性。弥散分布的MgLi2Sn、Al2RE、Al3RE等高温稳定强化相在合金变形过程中可促进再结晶形核和阻碍再结晶晶粒的长大，提高变形后合金晶粒细化程度，有利于合金性能的提升。若Sn、RE元素含量过低则起不到强化作用，而Sn、RE元素含量过高，首先会导致合金密度的大幅增大，其次，会使第二相颗粒尺寸变大反而会降低合金性能。
[0013]本专利技术向Mg
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Li合金中引入微量合金元素Ca和Mn。其中，Ca在熔炼过程中作为细化剂，可进一步细化铸态合金晶粒组织，有效改善合金的强韧性。另外，Ca在熔炼过程中起到阻燃的作用。引入Mn元素不仅可以改善Mg
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Li合金塑性，同时可提高Mg
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Li合金的抗过时效软化能力，改善合金的热稳定性。如果引入的合金元素Ca和Mn含量过低无法达到预期强化效果，含量过高会与Al元素形成大量大尺寸金属间化合物，降低Al含量，不利于合金的整体性能。
[0014]优选的，所述Al、Sn、稀土元素的含量比值为1:(0.5
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0.67)：(0.33
‑
0.5)。
[0015]优选地，所述RE为单一稀土元素钇(Y)或者富Y混合稀土(RY)中的一种；其中，富Y混合稀土为Y占稀土总量85wt.％以上的混合稀土。选择Y元素的原因主要是Y的添加可细化α相，同时与Al形成高温稳定强化相起到第二相强化的作用，提高合金的热稳定性。选择富Y混合稀土可以看作是元素Y加入合金的一种方式，因为混合稀土的成本相对纯稀土元素低，在合金化产生强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种α单相高强韧Mg
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Li合金材料，其特征在于：按质量百分比计包含：Li：0～6wt.％，Al：2～5wt.％，Sn：1～3wt.％，稀土元素：0.5～3wt.％，Mn：0～1wt.％，Ca：0～0.5wt.％，余量为镁和不可避免的杂质，其中，杂质总量在Mg
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Li合金材料中的占比小于0.1wt.％。2.根据权利要求1所述的一种α单相高强韧Mg
‑
Li合金材料，其特征在于：按质量百分比计包含：Li：3～6wt.％，Al：2.5～5wt.％，Sn：1.5～3wt.％，稀土元素：0.5～2wt.％，Mn：0～0.5wt.％，Ca：0～0.5wt.％，余量为镁和不可避免的杂质，杂质总量在Mg
‑
Li合金材料中的占比小于0.02wt.％。3.根据权利要求1所述的一种α单相高强韧Mg
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Li合金材料，其特征在于：所述稀土元素为单一稀土元素Y或者富Y混合稀土中的任意一种；其中，富Y混合稀土为Y占稀土总量85wt.％以上的混合稀土。4.根据权利要求1所述的一种α单相高强韧Mg
‑
Li合金材料，其特征在于：所述Mg
‑
Li合金材料中各组成分别以Mg单质、Li单质、Al单质、Sn单质、Ca单质、Mg
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RE中间合金和Mg
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Mn中间合金的形式引入。5.根据权利要求1所述的一种α单相高强韧Mg
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Li合金材料，其特征在于：所述Mg
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Li合金材料的室温力学性能为：屈服强度为240
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270MPa，抗拉强度为330
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380MPa，延伸率10
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15％。6.一种α单相高强韧Mg

【专利技术属性】
技术研发人员：杜玥，黄啸辰，张景琪，刘凤娟，陆子川，赵磊，姚草根，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，
类型：发明
国别省市：