CN108179336B - 一种超轻镁锂合金及其热处理方法 - Google Patents

一种超轻镁锂合金及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超轻镁锂合金及其热处理方法，所述镁锂合金组分及其质量百分比为：10.5～16wt.％Li，2～8wt.％Zn，1～4wt.％Gd，0.1～0.4wt.％Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。本发明引入Zn和Gd形成准晶相，Zn和Gd质量比为3:1～5:1，可显著提高镁锂合金强度和热稳定性，同时向合金中添加微量K2ZrF6混合盐作为细化剂，可明显细化α‑Mg晶粒。所述超轻镁锂合金采用双级固溶处理和时效处理的热处理方法，能充分发挥固溶强化和析出强化作用，进一步提高合金的强度。

Description

一种超轻镁锂合金及其热处理方法
技术领域
本发明涉及一种镁锂合金制备方法，尤其涉及一种超轻镁锂合金及其热处理方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
随着社会的发展，能源问题越来越受到人们的重视，轻量化节能减排逐渐成为交通领域发展的趋势，因此轻质金属材料的制备和成型逐渐成为国内外学者的研究热点。镁锂合金是最轻的合金材料，其密度较常见的AZ、ZK系列镁合金密度更低(AZ、ZK系列镁合金的密度约为1.8～1.9g/cm3)，对轻量化有着积极的意义。同时镁锂合金还具有高的比刚度、比强度和优良的抗震性能、抗高能粒子穿透能力和好的生物相容性，是航空、航天、兵器工业、核工业、汽车、3C产业、医疗器械等领域最理想并有着巨大发展潜力的结构材料之一。
随着镁锂合金中Li含量的变化，镁锂合金的基体相组成会发生变化。当Li含量低于5.7wt.％时，其基体相为Li固溶于Mg中形成的六排密方α-Mg固溶体；当Li含量高于10.3wt.％时，其基体相为Mg固溶于Li中形成的体心立方β-Li固溶体；当Li含量介于两者之间时，形成的是α-Mg固溶体和β-Li固溶体共存的双相结构。基体为α-Mg固溶体时，Li元素添加带来的减重效果不明显，同时对塑性变形能力的改善也不明显；基体为β-Li固溶体时，基体塑性变形能力很强，但强度过低。所以提高锂含量较高的镁锂合金的强度有很重要的实际意义。
目前市场上锂含量较高的镁锂合金的强度还不够理想。
发明内容
为解决现有的锂含量较高的镁锂合金存在强度不高的问题，本发明提供一种超轻镁锂合金及其热处理方法。本发明通过向镁锂合金加入一定质量比的Zn和Gd元素，形成高热稳定性的自生准晶相，以强化合金，并提高合金的热稳定性。另外，选择加入Zr作为细化晶粒的元素，降低高锂的镁锂合金的晶粒尺寸，能保持塑性不降低的条件下进一步提高强度。然后通过热处理工艺进一步提高合金强度，从而制备出低密度、高塑性和高强度的镁锂合金。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种超轻镁锂合金，所述合金包括以下质量百分比的各组分：10.5～16wt.％的Li，2～8wt.％的Zn，1～4wt.％的Gd，0.1～0.4wt.％的Zr，余量为Mg和不可避免的杂质。
本发明采用Li(锂)作为第一组分，Li的加入能够显著降低合金密度，同时提高合金的塑形。当Li含量为10.5～16wt.％时，镁合金为β-Li单相固溶体，该结构的镁合金塑性较高；本发明采用Zn(锌)作为第二组分，Zn元素的加入能够改善合金的铸造性能，而且能够与Mg、Li形成强化相；本发明采用Gd(钆)作为第三组分，Gd的加入能够有效提高合金力学性能，并且当Zn和Gd质量比约为3:1～5:1时，能形成起强化作用的准晶相；本发明采用Zr作为第四组分，Zr元素的加入能够细化晶粒，能进一步提高合金的强度。
本发明通过同时添加Zn、Gd、Zr三种元素，通过优化Zn和Gd质量比，在镁锂合金基体中引入自生准晶相，经后续热处理，形成更多强化析出相。所述Zn含量过高会导致超过其在镁中的固溶度并导致Zn单质较多，含量过低会导致准晶相较少，强化作用不充分；Gd含量过高会超过其在镁中的固溶度并导致合金密度较大，含量过低会导致准晶相较少，强化作用不充分；Zr含量过高导致单质Zr沉降，降低晶粒细化效果，Zr含量过低会导致晶粒细化效果不明显。
更优选地，所述Zr的质量百分含量为0.2～0.4wt.％。
优选地，所述杂质为Si、Fe、Cu和Ni；杂质的质量百分比总量小于0.03wt.％。
优选地，所述Zn和Gd质量比为3:1～5:1。
本发明还提供了一种超轻镁锂合金的制备方法，包括熔炼步骤和热处理步骤；
所述熔炼步骤具体为：按配比取合金的原料Mg、Li、Zn、Gd和Zr，加热熔化后，升温到660～720℃，机械搅拌1～6min，静置保温3～10min，浇铸即可。
优选地，所述合金的各组分按配比添加时，Zr采用K2ZrF6混合盐进行添加。
优选地，所述K2ZrF6混合盐为K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2，K2ZrF6混合盐的质量根据该混合盐K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2中Zr占镁锂合金的质量百分比确定。
优选地，所述K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2混合盐中K2ZrF6含量为40～80wt.％，LiCl、LiF和CaF2的质量百分比为1:1:1。
优选地，所述热处理步骤包括双级固溶处理和时效处理，步骤如下：
300～450℃条件下固溶1～10小时，然后在200～275℃条件下固溶8～32小时，最后在50～150℃条件下时效1～60小时。
本发明引入Zn和Gd形成准晶相，Zn和Gd质量比为3:1～5:1，可显著提高镁锂合金强度和热稳定性，同时向合金中添加微量K2ZrF6混合盐K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2作为Zr细化剂，可明显细化α-Mg晶粒。
与现有技术比较，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过同时添加Zn和Gd两种元素，并且控制两种元素的比例，将含Zn和Gd的自生准晶相引入到镁锂合金基体中，起到强化作用，并提高合金耐热稳定性。
(2)本发明选择K2ZrF6混合盐细化剂用于镁合金晶粒细化处理，不但可达到采用Mg-Zr中间合金作为细化剂达到的细化效果，且比Mg-Zr中间合金的细化工艺简单，Zr元素偏析较小，Zr元素收得率高，抗衰退性更强，降低镁合金生产成本，适合实验和工业应用。
(3)本发明选择两级固溶加上时效处理，能充分发挥固溶强化和析出强化作用，进一步提高合金的强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比为：10.5wt.％Li，3wt.％Zn，1wt.％Gd，0.1wt.％Zr，杂质元素Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.03wt.％，余量为Mg。其中，Zn和Gd之比为3:1。
该合金的熔炼制备方法为：按配比取合金的原料Mg、Li、Zn、Gd和Zr，熔化后升温到720℃，机械搅拌1min，静置保温10min，浇铸即可。所述Zr采用采用K2ZrF6混合盐进行添加，K2ZrF6混合盐为55K2ZrF6-15LiCl-15LiF-15CaF2。
该合金的热处理方法为：300℃条件下固溶10小时，然后在200℃条件下固溶32小时，最后在50℃条件下时效60小时。
该超轻镁锂合金Mg-10.5Li-3Zn-1Gd-0.1Zr的密度1.44g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：171MPa，抗拉强度：195MPa，延伸率：35％。
实施例2
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比为：16wt.％Li，8wt.％Zn，2wt.％Gd，0.4wt.％Zr，杂质元素Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.03wt.％，余量为Mg。其中，Zn和Gd之比为4:1。
该合金的熔炼制备方法为：按配比取合金的原料Mg、Li、Zn、Gd和Zr，熔化后升温到660℃，机械搅拌6min，静置保温3min，浇铸即可。所述Zr采用采用K2ZrF6混合盐进行添加，K2ZrF6混合盐为40K2ZrF6-20LiCl-20LiF-20CaF2。
该合金的热处理方法为：450℃条件下固溶1小时，然后在270℃条件下固溶8小时，最后在150℃条件下时效1小时。
该超轻镁锂合金Mg-16Li-8Zn-2Gd-0.4Zr的密度1.38g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：178MPa，抗拉强度：209MPa，延伸率：41％。
实施例3
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比为：13wt.％Li，6wt.％Zn，1.2wt.％Gd，0.2wt.％Zr，杂质元素Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.03wt.％，余量为Mg。其中，Zn和Gd之比为5:1。
该合金的熔炼制备方法为：按配比取合金的原料Mg、Li、Zn、Gd和Zr，熔化后升温到690℃，机械搅拌3.5min，静置保温6.5min，浇铸即可。所述Zr采用采用K2ZrF6混合盐进行添加，K2ZrF6混合盐为70K2ZrF6-10LiCl-10LiF-10CaF2。
该合金的热处理方法为：375℃条件下固溶5.5小时，然后在250℃条件下固溶20小时，最后在100℃条件下时效30小时。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-6Zn-3Gd-0.2Zr的密度1.42g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：182MPa，抗拉强度：204MPa，延伸率：39％。
对比例1
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比为：13wt.％Li，5.1wt.％Zn，2.1wt.％Gd，0.2wt.％Zr，杂质元素Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.03wt.％，余量为Mg。其中，Zn和Gd之比约为2.5:1。
该超轻镁锂合金的制备方法与实施例3相同。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-3Zn-3Gd-0.2Zr的密度1.39g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：148MPa，抗拉强度：166MPa，延伸率：29％。
对比例2
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比为：16wt.％Li，8wt.％Zn，1wt.％Gd，0.4wt.％Zr，杂质元素Fe、Si、Cu、Ni总含量小于0.03wt.％，余量为Mg。其中，Zn和Gd之比为8:1。
该超轻镁锂合金的制备方法与实施例2相同。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-3Zn-3Gd-0.2Zr的密度1.37g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：158MPa，抗拉强度：179MPa，延伸率：5.4％。
对比例3
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比与实施例3相同。
该超轻镁锂合金的制备方法与实施例3基本相同。不同之处在于：采用的K2ZrF6混合盐细化剂为40K2ZrF6-30LiCl-10LiF-20CaF2。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-6Zn-1.2Gd-0.2Zr的密度1.41g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：156MPa，抗拉强度：171MPa，延伸率：25％。
对比例4
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比与实施例3相同。
该超轻镁锂合金的制备方法与实施例3基本相同，不同之处在于：采用的K2ZrF6混合盐细化剂为30K2ZrF6-30LiCl-20LiF-20CaF2。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-6Zn-1.2Gd-0.2Zr的密度1.42g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：166MPa，抗拉强度：181MPa，延伸率：13.1％。
对比例5
本实施例提供了一种超轻镁锂合金，其组分及质量百分比与实施例3相同，所述制备方法与实施例3基本相同，不同之处在于：采用的热处理方法为：300℃条件下固溶25.5小时，然后在100℃条件下时效30小时。
该超轻镁锂合金Mg-13Li-3Zn-3Gd-0.2Zr的密度1.42g/cm3，力学性能为：
室温条件下，屈服强度：161MPa，抗拉强度：177MPa，延伸率：9.7％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种超轻镁锂合金，其特征在于，所述合金包括以下质量百分比的各组分：13～16wt.%的Li，6～8wt.%的Zn，1.2～2wt.%的Gd，0.2～0.4wt.%的Zr，余量为Mg和不可避免的杂质；所述Zn和Gd质量比为4:1～5:1；
所述的超轻镁锂合金的制备方法包括熔炼步骤和热处理步骤；
所述熔炼步骤具体为：按配比取合金的原料Mg、Li、Zn、Gd和Zr，加热熔化后，升温到660～720℃，机械搅拌1～6min，静置保温3～10min，浇铸即可；
所述合金的各组分按配比添加时，Zr采用K2ZrF6混合盐进行添加；所述K2ZrF6混合盐为K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2；
所述K2ZrF6-LiCl-LiF-CaF2混合盐中K2ZrF6含量为40～80wt.%，LiCl、LiF和CaF2的质量百分比为1:1:1；
所述热处理步骤包括双级固溶处理和时效处理，步骤如下：
300～450℃条件下固溶1～10小时，然后在200～275℃条件下固溶8～32小时，最后在50～150℃条件下时效1～60小时。
2.如权利要求1所述的超轻镁锂合金，其特征在于，所述杂质为Si、Fe、Cu和Ni；杂质的质量百分比总量小于0.03wt.%。
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