CN102304653A - 一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金及其制备方法 - Google Patents

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康志新
孔晶
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Abstract

本发明公开了一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金及其制备方法，该合金具体组分及其按质量百分比计含量如下：Li 9.50～10.80％，Al 3.00～5.00％，Y 0.50～0.70％，Zr 0.10～0.30％，其余为Mg；其组织特征是α相、β相和析出相同时存在，其中α相是以Mg为基的固溶体，呈密排六方结构，β相是以Li为基的固溶体，呈体心立方结构，析出相为Al2Y的稀土化合物；具有低密度、高塑性，较高强度的性能特点。本发明的制备方法是浇铸和等通道转角挤压或传统挤压的变形工艺相结合的常温塑性变形方法，比传统高温变形工艺操作更加简便，实用性好，且有效地降低了生产成本，因此具有良好的工业化生产前景。

Description

一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金及其塑性成形技术，具体是指一种高塑性双相含钇(Y)的镁锂铝(Mg-Li-Al)合金及其制备方法。
背景技术
镁合金材料中以添加锂元素为主，即构成了镁锂合金。镁锂合金的密度只有1.30g/cm3～1.65g/cm3，仅为铝合金的1/2，是传统镁合金的3/4，是迄今最轻的金属结构材料。作为最轻的金属结构材料，镁锂合金可以降低宇宙射线对电子仪器设备的干扰，能满足航空、航天工业对轻质材料的需求，因此在通讯电子工业、军工和航空航天交通运输领域中将得到日益广泛的应用。近年来，研究者力求提高镁锂合金的强度，而能提高强度的方法往往导致镁锂合金塑性的降低。中国专利201010103173.8公开了一种低稀土高强度镁锂合金及其制备方法，虽然该发明的镁锂合金的抗拉强度达到了200～260MPa，然而，其延伸率仅为20％。中国专利200710144339.9公开了一种高强度的镁锂合金，虽然该发明的合金抗拉强度达到245～300MPa，但延伸率仅为10～25％。
在镁锂合金中，Li(体心立方)的加入能够降低镁晶格(密排六方)的轴比(c/a值)，使镁合金晶格对称性提高，这样使其棱柱面和锥面滑移系更容易被激活，从而提高合金材料的塑性，但是Li元素的大量加入不仅会提高合金的成本，并且会导致材料耐腐蚀性和热稳定性降低。为此，研究者必须在控制Li含量的同时较大程度地改善合金的塑性；在提高塑性的同时防止其强度下降。
目前对双相镁锂合金的塑性变形温度一般都高于100℃，在工业生产中，为了操作简便、降低加工成本和扩大该类合金的应用范围，降低镁锂合金的变形温度具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，通过改进合金成分设计并根据该合金的特点优化塑性变形工艺，提供一种高塑性、低密度和较高强度的双相含钇的镁锂铝合金及其制备方法。
本发明的目的可以通过如下措施来实现：
一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金，它含有镁、锂、铝，其特征在于：该合金还含有稀土元素钇，具体组分及其按质量百分比计含量如下：Li9.50～10.80％，Al 3.00～5.00％，Y 0.50～0.70％，Zr 0.10～0.30％，其余为Mg；
所述含钇的镁锂铝合金组织特征是α相、β相和析出相同时存在，其中α相是以Mg为基的固溶体，呈密排六方结构，β相是以Li为基的固溶体，呈体心立方结构，析出相为Al2Y的稀土化合物。
优化的具体组分及其按质量百分比计含量如下：
Li 10.46～10.73％，Al 2.80～4.49％，Y 0.51～0.60％，Zr 0.12～0.18％，其余为Mg。
上述高塑性双相含钇的镁锂铝合金的制备方法，其特征在于：该方法是浇铸和等通道转角挤压或浇铸和传统挤压的变形工艺相结合的常温塑性变形方法，它包括如下步骤和工艺条件：
步骤一：浇铸
(1)按质量百分比称取原材料：Li 9.50～10.80％，Al 3.00～5.00％，Y0.50～0.70％，Zr 0.10～0.30％，其余为Mg；
(2)将所称取的原材料加入真空感应炉，在真空状态下充入氩气，并在氩气保护条件下升温至熔炼温度，所述熔炼温度为680～720℃；待金属完全熔化后，采用氩气气体保护，搅拌状态下保温5～15min，然后将熔体浇入金属模具内，获得铸锭；
(3)热处理：将铸锭在350±10℃下，均匀化处理12～24h；
步骤二：塑性变形
采用等通道转角挤压或传统挤压的塑性变形工艺
等通道转角挤压塑性变形工艺条件如下：
挤压温度：常温
挤压速率：1mm/s～3mm/s
挤压压力：50MPa～150MPa
润滑剂：汽油和石墨粉的混合物；
传统挤压的塑性变形工艺条件如下：
挤压温度：常温
挤压速率：1mm/s～5mm/s
挤压压力：100MPa～200MPa
润滑剂：汽油和石墨粉的混合物；
经塑性变形后，合金中的稀土析出相Al2Y弥散分布于α相和β相中，得到高塑性双相镁锂铝合金。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明制备的一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金，室温下的抗拉强度σb＝145～175MPa，屈服强度σs＝125～150MPa，延伸率δ＝40～60％，密度ρ＝1.30～1.50g/cm3；具有低密度、高比强度、高比刚度、高塑性，较高强度的性能特点，在保持较高的强度的基础上，室温延伸率远远高于相似成分的镁合金，开拓了镁锂合金在(α+β)相区双相合金的应用范围。
2、本发明通过改进合金成分设计，加入稀土元素Y能与基体或其他合金元素形成化合物，对合金起到弥散强化的作用；加入元素Zr为密排六方结构，与镁锂合金基体的密排原子面间距错配度很小，具有良好的晶体学匹配关系，可以起到异质形核的作用，从而对合金具有细化作用。
3、本发明根据该合金的特点优化塑性变形工艺，利用在变形时双相镁锂合金中具有较多滑移系的β相对α相的变形有良好的协调作用，以及析出相稀土化合物可起到弥散强化和提高塑性的作用，这对提高镁锂合金的综合力学性能有显著的效果。
4、本发明的制备方法实现了常温变形，工艺比传统高温变形操作更加简便，制备方法成形所需的挤压力较低，从而降低了对材料设备的要求，采用本发明工艺简单，实用性好，且有效地降低了生产成本，因此具有良好的工业化生产前景。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
步骤一：浇铸
(1)按质量百分比称取原材料：Li 10.73％，Al 4.49％，Y 0.52％，Zr 0.12％，Mg 84.14％，将所称取的原材料加入真空感应炉。
(2)将所称取的原材料加入真空感应炉，在真空状态下充入氩气，并在氩气保护条件下升温至熔炼温度，所述熔炼温度为680℃；待金属完全熔化后，采用氩气气体保护，搅拌状态下保温15min，然后将熔体浇入金属模具内，获得铸锭；
(3)热处理：将铸锭在350±10℃下进行12h的均匀化处理。
步骤二：等通道转角挤压工艺
在铸锭上切取22mm×22mm×120mm的试样，在室温下，在该试样表面涂上汽油和石墨粉的混合物润滑剂；放入内角为φ＝90°外角为
Figure BDA0000090170180000051
的等通道转角挤压模具中进行挤压，挤压速率为1mm/s，挤压压力为50MPa，采用Bc路径(即在各道次之间将试样按同一方向旋转)挤压2道次。
经本实施例塑性变形后得到含钇的镁锂铝合金，利用X射线衍射仪和扫描电镜(SEM)对该状态的镁锂合金材料进行了相组成分析，结果显示，该合金是由(α+β)相组成的双相合金，α相呈密排六方结构，β相呈体心立方结构，α相和β相中均弥散分布Al2Y析出相。在微机控制万能试验机上做室温拉伸试验，用阿基米德法测试合金的密度，其抗拉强度为166.8MPa，屈服强度为132.5MPa，延伸率达49％，密度为1.40g/cm3。
实施例2
步骤一：浇铸
(1)按质量百分比称取原材料：Li 10.50％，Al 2.85％，Y 0.57％，Zr 0.18％，Mg 85.90％，将所称取的原材料加入真空感应炉。
(2)将所称取的原材料加入真空感应炉，在真空状态下充入氩气，并在氩气保护条件下升温至熔炼温度，所述熔炼温度为720℃；待金属完全熔化后，采用氩气气体保护，搅拌状态下保温10min，然后将熔体浇入金属模具内，获得铸锭；
(3)热处理：将铸锭在350±10℃下进行12h的均匀化处理。
步骤二：传统挤压的塑性变形工艺
对挤压比为9.7∶1的模具进行加热，加热温度为35℃(常温)，保温2h；将试样表面涂上汽油和石墨粉的混合物润滑剂；放入模具中与模具一起在35℃下保温20min后进行挤压，挤压速率为3mm/s，挤压压力为180MPa，试样挤压后立即淬火。
经本实施例塑性变形后得到含钇的镁锂铝合金，利用X射线衍射仪和扫描电镜(SEM)对该状态的镁锂合金材料进行了相组成分析，结果显示，该合金是由(α+β)相组成的双相合金，α相呈密排六方结构，β相呈体心立方结构，α相和β相中均弥散分布Al2Y析出相。在微机控制万能试验机上做室温拉伸试验，用阿基米德法测试合金的密度，其抗拉强度为155.8MPa，屈服强度为130.4MPa，延伸率达43％，密度为1.46g/cm3。
实施例3
步骤一：浇铸
(1)按质量百分比称取原材料：Li 9.80％，Al 4.50％，Y 0.65％，Zr 0.26％，Mg 84.79％，将所称取的原材料加入真空感应炉。
(2)将所称取的原材料加入真空感应炉，在真空状态下充入氩气，并在氩气保护条件下升温至熔炼温度，所述熔炼温度为700℃；待金属完全熔化后，采用氩气气体保护，搅拌状态下保温5min，然后将熔体浇入金属模具内，获得铸锭；
(3)热处理：将铸锭在350±10℃下进行16h的均匀化处理。
步骤二：等通道转角挤压工艺
在铸锭上切取22mm×22mm×120mm的试样，在室温下，在该试样表面涂上汽油和石墨粉的混合物润滑剂，放入内角为φ＝90°外角为
Figure BDA0000090170180000061
的等通道转角挤压模具中进行挤压，挤压速率为5mm/s，挤压压力为120MPa，采用A路径(即每次挤出的试样按原方位再放入模具中进行下一道次挤压)挤压2道次。

Claims (3)

1.一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金，它含有镁、锂、铝，其特征在于：该合金还含有稀土元素钇，具体组分及其按质量百分比计含量如下：Li 9.50～10.80％，Al 3.00～5.00％，Y 0.50～0.70％，Zr 0.10～0.30％，其余为Mg；
所述含钇的镁锂铝合金组织特征是α相、β相和析出相同时存在，其中α相是以Mg为基的固溶体，呈密排六方结构，β相是以Li为基的固溶体，呈体心立方结构，析出相为Al2Y的稀土化合物。
2.根据权利要求1所述的一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金，其特征在于：所述含钇的镁锂铝合金组分及其按质量百分比计含量如下：Li 10.46～10.73％，Al 2.80～4.49％，Y 0.51～0.60％，Zr 0.12～0.18％，其余为Mg。
3.一种高塑性双相含钇的镁锂铝合金的制备方法，其特征在于：该方法是浇铸和等通道转角挤压或浇铸和传统挤压的变形工艺相结合的常温塑性变形方法，它包括如下步骤和工艺条件：
步骤一：浇铸
(1)按质量百分比称取原材料：Li 9.50～10.80％，Al 3.00～5.00％，Y0.50～0.70％，Zr 0.10～0.30％，其余为Mg；
(2)将所称取的原材料加入真空感应炉，在真空状态下充入氩气，并在氩气保护条件下升温至熔炼温度，所述熔炼温度为680～720℃；待金属完全熔化后，采用氩气气体保护，搅拌状态下保温5～15min，然后将熔体浇入金属模具内，获得铸锭；
(3)热处理：将铸锭在350±10℃下，均匀化处理12～24h；
步骤二：塑性变形
采用等通道转角挤压或传统挤压的塑性变形工艺
等通道转角挤压塑性变形工艺条件如下：
挤压温度：常温
挤压速率：1mm/s～3mm/s
挤压压力：50MPa～150MPa
润滑剂：汽油和石墨粉的混合物；
传统挤压的塑性变形工艺条件如下：
挤压温度：常温
挤压速率：1mm/s～5mm/s
挤压压力：100MPa～200MPa
润滑剂：汽油和石墨粉的混合物；
经塑性变形后，合金中的稀土析出相Al2Y弥散分布于α相和β相中，得到高塑性双相含钇的镁锂铝合金。
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