CN108660347B - 一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法 - Google Patents
一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg‑Li‑Al‑Y合金及其制备方法,所述合金包括如下元素:8~12wt.%Li,1.5~4.5wt.%Al,1~2.2wt.%Y,0.5~2wt.%富Ce混合稀土,余量为镁和不可避免的杂质。所述镁锂合金的制备方法包括熔炼、固溶热处理和塑性变形三个阶段,固溶热处理和塑性变形结合进行,即将所得镁锂合金铸锭进行固溶处后让铸锭冷却然后进行塑性变形,从而避免了塑性变形前的均匀化处理引起的时效软化现象。本发明向镁锂合金加入Al、Y和富Ce混合稀土,不仅能够起到固溶强化和细晶强化的效果,还能在基体中析出高温稳定强化相,再经固溶热处理和塑性变形后可获得高强韧的镁锂合金。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种镁锂合金,尤其是涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法,属于金属材料技术领域。
背景技术
镁锂合金作为最轻的金属结构材料受到越来越广泛的关注,同时以其比强度比刚度高,电磁屏蔽性和机械加工性好等特点而被广泛应用于军事、航空航天以及电子产品等领域。但是镁锂合金强度很低,使得开发出新型高强度镁锂合金的需求越来越迫切。
现阶段已开发的LA、LAZ等系列镁锂合金由于Al、Zn元素在镁锂合金中的固溶度有限,所以对合金强度的提高也有限。稀土元素是镁合金有效的强化元素,研究表明,添加富Ce混合稀土(Ce、La为主)对镁锂合金强度有一定的提升作用。葛大梁等公开了《一种多元微合金晶粒细化型镁锂合金的制备方法》(公开号CN107541626A),所述镁锂合金组分及其质量百分比为9~16%Li,0.5~4%Al,0.25~1%Y,0~0.5%Nd,0~0.25%Gd,0~0.25%Zr,余量为Mg。氩气气氛下熔炼后搅拌15min扒渣浇铸,将铸锭进行均匀化处理后得到晶粒细小,力学性能良好的镁锂合金。周海涛等公开了《一种超轻双相镁锂合金板材的制备工艺》(公开号CN105755410A),该工艺是采用LA83-0.4Y铸锭为原材料,先进行均匀化退火处理,再依次进行多道次热轧处理、去应力退火处理、多道次冷轧处理及去应力退火处理,得到双相镁锂合金板材,该镁锂合金板材的抗拉强度为183.42~220.35MPa,屈服强度为150.01~190.74MPa,延伸率为18~35%。但上述合金强韧性还不足够高,且工艺较复杂成本较高,均匀化处理工艺也会弱化合金,所以有必要进一步开发出高强韧性的Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有镁锂合金存在的不足,提供一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法。本发明中提及的镁锂合金中锂的含量为8~12wt.%以保证其较小的密度;本发明向镁锂合金加入Al、Y元素可以产生固溶强化效果,同时还可以形成AlLi强化相和Al2Y高温稳定强化相;同时引入富Ce混合稀土元素可与Al元素形成Al2RE、AL3RE第二相颗粒,提高合金强韧性,也会有效细化晶粒进一步改善合金强韧性。再经过固溶热处理结合塑性变形制备出一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
第一方面,本发明提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,包括按重量百分数计的如下元素:8~12wt.%Li,1.5~4.5wt.%Al,1~2.2wt.%Y,0.5~2wt.%富Ce混合稀土,余量为镁和不可避免的杂质,其中,所述杂质为总量小于质量百分比0.02%的Si、Fe、Cu和Ni。
优选地,所述合金包括按重量百分数计的如下元素:12wt.%Li,4.5wt.%Al,2.2wt.%Y,2wt.%富Ce混合稀土,余量为镁和不可避免的杂质,其中,所述杂质为总量小于质量百分比0.02%的Si、Fe、Cu和Ni。
本发明通过在镁锂合金中同时添加Al、Y和富Ce混合稀土,起到了固溶强化作用和细晶强化作用,引入了AlLi强化相和高温稳定强化相Al2Y、Al2RE和Al3RE颗粒增强基体,同时改善了镁锂合金的抗过时效软化能力,经后续固溶热处理结合塑性变形进一步提高合金强韧化。
优选地,所述富Ce混合稀土为Mg-15Ce-10La。
优选地,所述Al、Y的质量比为2-3:1;所述Y和富Ce混合稀土的质量比为1-2:1。
第二方面,本发明还提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,包括熔炼成镁锂合金铸锭步骤、后续的固溶热处理和塑性变形的步骤。
优选地,所述熔炼成镁锂合金铸锭的步骤具体包括如下操作:
将镁单质、铝单质、锂单质、镁-钇和镁-富铈混合稀土中间合金进行熔炼,在640℃~680℃下进行搅拌2~5min后,在670℃~720℃下静置保温5~15min,最后浇注到钢制模具即可。
优选地,所述熔炼在保护气氛下进行;所述钢制磨具预先加热至160℃~240℃。
优选地,所述固溶热处理和塑性变形步骤结合进行,具体包括如下操作:
先将所述镁锂合金铸锭在300℃~500℃进行固溶处理2~8h,固溶时间完成后当铸锭冷却至150℃~300℃时进行塑性变形。
优选地,所述塑性变形包括挤压变形、轧制变形、锻压变形中的至少一种。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明制备的一种Mg-Li-Al-Y-RE(Ce、La)镁锂合金,通过在合金中加入Y元素,不仅起到了固溶强化的作用,还引入了高温稳定相Al2Y减少AlLi相的形成;
2、本发明制备的一种Mg-Li-Al-Y-RE(Ce、La)镁锂合金,通过在合金中加入富Ce混合稀土,引入了高温稳定相Al2RE、Al3RE增强基体,还起到了显著的细晶强化作用和固溶强化作用,还能有效抑制时效软化现象;
3、本发明通过对合金进行固溶处理与塑性变形相结合的方法,无需进行均匀化处理,避免了变形前由均匀化处理引起的时效软化,从而进一步提高合金的强韧性和热稳定性;
4、本发明设计的合金成分中Li含量较高,合金密度低,同时引入Y和富Ce混合稀土最终获得高强韧镁锂合金,满足航空航天等领域对于超轻材料的需求。
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,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其各组分质量百分比为:8wt.%Li,2wt.%Al,1wt.%Y,0.5wt.%富Ce混合稀土,余量为Mg和不可避免的杂质。其中,Y和富Ce混合稀土以Mg-Y和Mg-15Ce-10La中间合金的形式加入。
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强度镁锂合金的制备方法,所述工艺包括熔炼、固溶热处理和挤压塑性变形三个阶段。
在熔炼之前首先把原料和模具在烘箱中预热至200℃,加料后熔化升温到640℃进行机械搅拌5min,静置保温10min,浇铸即可,整个熔炼过程在保护气氛条件下进行。
随后进行的是固溶热处理和挤压塑性变形:将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭进行固溶处理和塑性变形,具体如下:
①固溶处理:在300℃下进行固溶处理8h。
②挤压塑性变形:当固溶处理完成后的铸锭温度下降至150℃时进行挤压变形。
所得高强韧镁锂合金的密度和室温力学性能为(表1):
密度为1.54g/cm3,屈服强度为236.7MPa,抗拉强度为263.8MPa,延伸率为18.4%。
实施例2
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其各组分质量百分比为:12wt.%Li,4.5wt.%Al,2.2wt.%Y,2wt.%富Ce混合稀土,余量为Mg和不可避免的杂质。其中,Y和富Ce混合稀土以Mg-Y和Mg-15Ce-10La中间合金的形式加入。
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强度镁锂合金的制备方法,所述工艺包括熔炼、固溶热处理和轧制塑性变形三个阶段。
在熔炼之前首先把原料和模具在烘箱中预热至220℃,加料后熔化升温到680℃进行机械搅拌3min,静置保温12min,浇铸即可,整个熔炼过程在保护气氛条件下进行。
随后进行的是固溶热处理和轧制塑性变形:将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭进行固溶处理和塑性变形,具体如下:
①固溶处理:在500℃下进行固溶处理2h。
②轧制塑性变形:当固溶处理完成后的铸锭温度下降至300℃时进行轧制变形。
所得高强韧镁锂合金的密度和室温力学性能为(表1):
密度为1.55g/cm3,屈服强度为265.8MPa,抗拉强度为293.2MPa,延伸率为16.9%。
实施例3
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其各组分质量百分比为:10wt.%Li,3wt.%Al,1.5wt.%Y,1.5wt.%富Ce混合稀土,余量为Mg和不可避免的杂质。其中,Y和富Ce混合稀土以Mg-Y和Mg-15Ce-10La中间合金的形式加入。
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强度镁锂合金的制备方法,所述工艺包括熔炼、固溶热处理和锻压塑性变形三个阶段。
在熔炼之前首先把原料和模具在烘箱中预热至180℃,加料后熔化升温到650℃进行机械搅拌3min,静置保温8min,浇铸即可,整个熔炼过程在保护气氛条件下进行。
随后进行的是固溶热处理和锻压塑性变形:将经熔炼阶段制备的镁锂合金铸锭进行固溶处理和塑性变形,具体如下:
①固溶处理:在400℃下进行固溶处理4h。
②锻压塑性变形:当固溶处理完成后的铸锭温度下降至250℃时进行锻压变形。
所得高强韧镁锂合金的密度和室温力学性能为(表1):
密度为1.53g/cm3,屈服强度为248.3MPa,抗拉强度为271.3MPa,延伸率为17.6%。
实施例4
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其各组分质量百分比为:10wt.%Li,3.5wt.%Al,1.0wt.%Y,1.5wt.%富Ce混合稀土,余量为Mg和不可避免的杂质。其中,Y和富Ce混合稀土以Mg-Y和Mg-15Ce-10La中间合金的形式加入。
所述含富Ce混合稀土的高强度镁锂合金的制备方法与实施例3相同。
所得高强韧镁锂合金的密度和室温力学性能为(表1):
密度为1.53g/cm3,屈服强度为241.1MPa,抗拉强度为259.7MPa,延伸率为15.8%。
实施例5
本实施例涉及一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其各组分质量百分比为:10wt.%Li,3wt.%Al,1.0wt.%Y,2.0wt.%富Ce混合稀土,余量为Mg和不可避免的杂质。其中,Y和富Ce混合稀土以Mg-Y和Mg-15Ce-10La中间合金的形式加入。
所述含富Ce混合稀土的高强度镁锂合金的制备方法与实施例3相同。
所得高强韧镁锂合金的密度和室温力学性能为(表1):
密度为1.54g/cm3,屈服强度为237.5MPa,抗拉强度为261.1MPa,延伸率为17.2%。
表1:实施例的密度和室温力学性能
实施例 | 状态 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) |
实施例1 | 挤压态 | 1.54 | 236.7 | 263.8 | 18.4 |
实施例2 | 轧制态 | 1.55 | 265.8 | 293.2 | 16.9 |
实施例3 | 锻压态 | 1.53 | 248.3 | 271.3 | 17.6 |
实施例4 | 锻压态 | 1.53 | 241.1 | 259.7 | 15.8 |
实施例5 | 锻压态 | 1.54 | 237.5 | 261.1 | 17.2 |
对比例1
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例1基本相同,不同之处仅在于:本对比例中固溶和变形处理分别进行,具体步骤如下:
①固溶处理:在300℃下进行固溶处理8h,水淬至室温。
②挤压塑性变形:固溶处理完成后的铸锭进行均匀化处理,然后进行挤压变形。
本对比例制备的镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为1.54g/cm3,屈服强度为193.3MPa,抗拉强度为218.5MPa,延伸率为13.3%。
由于挤压变形前需进行均匀化处理相当于对合金进行时效处理,产生时效软化,导致制备的合金强度明显降低。
对比例2
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例1基本相同,不同之处仅在于:本对比例中不含富Ce混合稀土。所述制备方法与实施例1相同。
本对比例制备的高强韧镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为1.51g/cm3,屈服强度为202.0MPa,抗拉强度为218.4MPa,延伸率为14.1%。
由于不加富Ce混合稀土,导致制备的合金强度和塑性都大幅下降。
对比例3
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例2基本相同,不同之处仅在于:本对比例中Li含量为15wt.%。所述制备方法与实施例2相同。
本对比例制备的高强韧镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为1.52g/cm3,屈服强度为191.6MPa,抗拉强度为211.7MPa,延伸率为15.2%。
由于Li含量过高,导致制备的合金强度下降显著。
对比例4
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例2基本相同,不同之处仅在于:本对比例中富Ce混合稀土含量为2.5wt%。所述制备方法与实施例2相同。
本对比例制备的高强韧镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为1.58g/cm3,屈服强度为233.7MPa,抗拉强度为257.1MPa,延伸率为15.3%。
由于加入的富铈混合稀土过多导致析出相变大,使强韧化效果下降。
对比例5
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例3基本相同,不同之处仅在于:本对比例中Li含量为6wt%。所述制备方法与实施例3相同。
本对比例制备的高强韧镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为16.0g/cm3,屈服强度为229.4MPa,抗拉强度为251.8MPa,延伸率为16.6%。
由于Li含量较低,导致合金密度显著增加,组织为单相,强度也相应下降。
对比例6
本对比例提供了一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金,其组分与实施例3基本相同,不同之处仅在于:本对比例中不含Y,所述制备方法与实施例3相同。
本对比例制备的高强韧镁理合金,其密度和室温力学性能为(表2):
密度为1.52g/cm3,屈服强度为216.2MPa,抗拉强度为244.5MPa,延伸率为13.7%。
由于不含Y元素,起不到细晶强化效果,合金组织较为粗大,强韧性下降。
表2:对比例的密度和室温力学性能
对比例 | 状态 | 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) |
对比例1 | 挤压态 | 1.54 | 193.3 | 218.5 | 13.3 |
对比例2 | 挤压态 | 1.52 | 202.0 | 218.4 | 14.1 |
对比例3 | 轧制态 | 1.51 | 191.6 | 211.7 | 15.2 |
对比例4 | 轧制态 | 1.58 | 233.7 | 257.1 | 15.3 |
对比例5 | 锻压态 | 1.60 | 229.4 | 251.8 | 16.6 |
对比例6 | 锻压态 | 15.2 | 216.2 | 244.5 | 13.7 |
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出,以上实施例仅用于说明本发明,而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述合金包括按重量百分数计的如下元素:8~12wt.%Li,1.5~4.5wt.%Al,1~2.2wt.%Y,0.5~2wt.%富Ce混合稀土,余量为镁和不可避免的杂质,其中,所述杂质为总量小于质量百分比0.02%的Si、Fe、Cu和Ni;
所述制备方法包括熔炼成镁锂合金铸锭步骤、后续的固溶热处理和塑性变形的步骤;
所述固溶热处理和塑性变形步骤结合进行,具体包括如下操作:
先将所述镁锂合金铸锭在300℃~500℃进行固溶处理2~8h,固溶时间完成后当铸锭冷却至150℃~300℃时进行塑性变形。
2.如权利要求1所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述合金包括按重量百分数计的如下元素:12wt.%Li,4.5wt.%Al,2.2wt.%Y,2wt.%富Ce混合稀土,余量为镁和不可避免的杂质,其中,所述杂质为总量小于质量百分比0.02%的Si、Fe、Cu和Ni。
3.如权利要求1所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述富Ce混合稀土为Mg-15Ce-10La。
4.如权利要求1所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述Al、Y的质量比为2-3:1;所述Y和富Ce混合稀土的质量比为1-2:1。
5.如权利要求1所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述熔炼成镁锂合金铸锭的步骤具体包括如下操作:
将镁单质、铝单质、锂单质、镁-钇和镁-富铈混合稀土中间合金进行熔炼,在640℃~680℃下进行搅拌2~5min后,在670℃~720℃下静置保温5~15min,最后浇注到钢制模具即可。
6.如权利要求5所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述熔炼在保护气氛下进行;所述钢制磨具预先加热至160℃~240℃。
7.如权利要求1所述的含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金的制备方法,其特征在于,所述塑性变形包括挤压变形、轧制变形、锻压变形中的至少一种。
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