CN112680641A - 一种固溶态的含Zn双相镁锂合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于镁锂合金技术领域，公开了一种固溶态的含Zn双相镁锂合金及其制备方法和应用。该双相镁锂合金是将镁、锂、锌和镁钇中间合金为原料，通过真空熔炼730～780℃得到合金液，在氩气保护下完成浇铸成形，并随炉冷却至室温，得到铸态双相镁锂合金，然后将铸态双相镁锂合金用包含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃进行固溶处理，水淬冷至室温制得。本发明采用Zn元素和简单的固溶处理工艺，能够显著提高双相镁锂合金的屈服强度和抗拉强度，其中抗拉强度提升幅度超过66MPa，解决了铸态镁锂合金力学强度低的问题。本发明成本较低，操作简单。固溶态的镁锂合金可在航空航天、武器装备、汽车或电子通讯领域中应用。

Description

一种固溶态的含Zn双相镁锂合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于镁锂合金技术领域，更具体地，涉及一种固溶态的含Zn双相镁锂合金及其制备方法和应用。

背景技术

在镁中加入锂后形成镁锂合金，同时镁的晶体结构将会逐步发生转变：当锂的质量分数低于5.7％时，合金是由单相密排六方结构的α-Mg组成；当锂的质量分数介于5.7％和10.3％之间时，合金则由密排六方结构的α-Mg和体心立方结构的β-Li双相组成；当锂的质量分数高于10.3％时，合金是由单相体心立方结构的β-Li组成。镁锂合金虽然有诸多优点(超轻、超塑性、高比强度)，是轻量化追求的良好材料，在汽车、电子通讯、航空航天和国防军事等领域有着广阔的应用前景，尤其是近年来，随着人们对节能减排和构件轻量化要求的不断提高，对镁锂合金的运用和研究就显得尤为迫切。然而，镁锂合金绝对强度低是影响其广泛应用的最突出难题，这大大限制了镁锂合金的进一步推广应用。针对镁锂合金的强化工艺，国内外学者尝试了多种方法并进行了大量报道，包括准晶强化、长周期相(LPSO)强化、累积叠轧强化、纳米孪晶强化、形变与热处理耦合强化以及多元微合金化等，但抗拉强度仍然很难突破250MPa。近年来，文献报道(Nature Communication 10(2019)1003)β-Li基的Mg-11Li-3Al合金通过固溶热处理，可以显著提高合金的力学强度(＞300MPa)。双相镁锂合金同样也拥有β-Li相，但其有效且显著的固溶热处理强化效应尚未涉及。可见，减少合金元素和简化加工制造工艺可有效节约生产与制造成本，只通过简单的固溶热处理工艺就可使镁锂合金达到显著强化效果，这对合金的进一步开发和安全服役具有十分重要的理论价值和实际意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种固溶态的含Zn双相镁锂合金。该合金具有较高的力学强度。

本发明的另一目的在于提供上述固溶态的含Zn双相镁锂合金的制备方法，该方法通过简单的固溶热处理可有效提高双相镁锂合金力学强度，使铸态含Zn双相镁锂合金的力学强度得到显著改善；工艺简单、易操作、成本较低。

本发明的再一目的在于提供上述固溶态的含Zn双相镁锂合金的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种固溶态的含Zn双相镁锂合金，所述固溶态双相镁锂合金是将镁、锂、锌和镁钇中间合金为原料，通过真空熔炼730～780℃得到合金液，在氩气下完成炉内浇铸成形，并随炉冷却至室温，得到铸态双相镁锂合金，然后将铸态双相镁锂合金用包含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃进行固溶处理，水淬冷至室温制得；所述锂含量为5～11wt.％、锌含量为3～12wt.％、钇含量为0～2wt.％、镁为余量；所述镁钇中间合金的钇含量为20～40wt.％。

优选地，所述镁、锂和锌的纯度均为99.85～99.95％。

优选地，所述固溶处理的时间为1～24h。

优选地，所述石墨粉的规格为200～2000目。

优选地，所述的铸态双相镁锂合金的屈服强度为121～137MPa、抗拉强度为155～179MPa；所述固溶态的镁锂合金的屈服强度为168～275MPa、抗拉强度为221～302MPa。

所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将镁、锂、锌和镁钇中间合金为原料，通过真空熔炼730～780℃得的合金液，在氩气保护条件下完成炉内浇铸成形，并随炉冷却至室温，得到铸态双相镁锂合金；

S2.将铸态双相镁锂合金用包含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃进行固溶处理，水淬冷至室温，制得固溶态的含Zn双相镁锂合金。

所述的固溶态的含Zn镁锂合金在航空航天、武器装备、汽车或电子通讯领域中的应用。

本发明的原理：含Zn的双相镁锂合金(α-Mg和β-Li)在熔铸成形过程中会形成LiMgZn相，通过合理选取固溶条件，在高于LiMgZn相溶解温度以上(＞300℃)对合金进行保温处理，然后水淬冷却至室温，这样可以有效地将合金中可固溶的LiMgZn相颗粒固溶到双相镁锂合金的β-Li基体相中，并消除合金中的化学成分不均匀区。对性能的影响在于，可以在β-Li基体相中形成过饱和的固溶原子，在变形过程中阻碍位错的运动，从而提高合金力学强度。因此，通过控制Zn含量并选用合理的固溶热处理制度，将Zn原子尽可能多的固溶于β-Li基体中，可显著提高含Zn的双相镁锂合金的力学强度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过控制Zn含量并选用合理的固溶热处理制度，将Zn原子尽可能多的固溶于β-Li基体中，含Zn的双相镁锂合金，经过固溶热处理后能够显著提高其力学强度。固溶前的含Zn双相镁锂合金的屈服强度和抗拉强度为121～137MPa和155～179MPa；固溶后的含Zn双相镁锂合金的屈服强度和抗拉强度为168～275MPa和221～302MPa，其中抗拉强度提升幅度超过66MPa。

2.本发明获得的300MPa级的双相镁锂合金，特别适合于轻质、高强的用材需求，可以满足超塑性镁锂合金预成型为特定产品后再经过固溶热处理达到最终强度标准。

3.本发明合金制备工艺简单，仅需添加低值锌元素和简单热处理，不需后续加工变形就可实现高强化的目的，成本较低，可节约镁锂合金的生产制造成本。

附图说明

图1为实施例1的铸态双相Mg-6.6％Li-6.6％Zn合金的微观组织照片。

图2为实施例1的铸态双相Mg-6.6％Li-6.6％Zn合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。

图3为实施例2的铸态双相Mg-7.6％Li-6.1％Zn(-0.8％Y)合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。

图4为实施例3的铸态双相Mg-7.8％Li-8.6％Zn(-0.8％Y)合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

本实施例提高镁锂合金的力学强度的合金化与热处理工艺方法，主要包括以下步骤：

1.将纯镁、纯锂和纯锌(纯度均为99.85～99.95％)为熔炼原料，通过真空熔炼得的合金液，在氩气保护条件下完成炉内浇铸成形，得到铸态镁锂锌合金，并随炉冷区至室温。

2.采用的镁锂合金成分：使用铸态Mg-Li-Zn合金，其化学成分(质量百分比)为：6.6％Li，6.6％Zn，86.7％Mg，杂质含量不超过0.1％。

3.固溶处理工艺：将铸态合金用包含石墨粉的铝箔严密包裹，在420℃固溶2h，水淬冷却至室温，制得固溶态镁锂锌合金，即Mg-6.6wt.％Li-6.6wt.％Zn合金。

微观组织表征：采用400#-5000#水磨砂纸将Mg-6.6wt.％Li-6.6wt.％Zn合金表面磨平，然后采用金刚石研磨膏进行机械抛光。图1为实施例1中铸态Mg-6.6wt.％Li-6.6wt.％Zn合金的微观组织照片。其中，(a)为固溶处理前；(b)为420℃固溶2小时后。由图1可知，未经固溶热处理时，Mg-6.6wt.％Li-6.6wt.％Zn合金主要由α-Mg相、β-Li相和大量的LiMgZn相组成，固溶热处理后，合金基体的α-Mg相和β-Li相仍然保留，但LiMgZn相已基本完全溶解。

力学性能测试：利用线切割切取切狗骨头板状拉伸试样，标距段尺寸为25mm，宽度为6mm，厚度为3mm，然后利用400#-2000#砂纸逐级对标距段进行打磨处理，最后进行拉伸试验，应变速率为1×10^-3s^-1，温度为室温，确定出合金的拉伸性能曲线，图2为实施例1的铸态双相Mg-6.6wt.％Li-6.6wt.％Zn合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。由图2可知，固溶处理前合金(铸态1)的力学性能指标为：屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为121MPa、155MPa和4.4％；固溶处理后合金(固溶态2)的力学强度明显得到提升，其中屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为168MPa、221M Pa和3.2％，屈服强度和抗拉强度较铸态合金分别提升47MPa和66MPa。

实施例2

本实施例提高镁锂合金力学强度的合金化与热处理工艺方法，主要包括以下步骤：

1.将纯镁、纯锂、纯锌(纯度均为99.85～99.95％)和镁钇中间合金(钇含量30wt.％)为熔炼原料，通过真空熔炼得的合金液，在氩气保护条件下完成炉内浇铸成形，得到铸态镁锂锌钇合金，并随炉冷区至室温。

2.采用的镁锂合金成分：使用铸态Mg-Li-Zn-Y合金，其化学成分(质量百分比)为：7.6％Li，6.1％Zn，0.8％Y，85.4％Mg，杂质含量不超过0.1％。

3.固溶处理工艺：将铸态合金用包含石墨粉的铝箔严密包裹，在400℃固溶2小时，水淬冷却至室温，制得固溶态镁锂锌钇合金，即Mg-7.6wt.％Li-6.1wt.％Zn(-0.8wt.％Y)合金。

力学性能测试：利用线切割切取切狗骨头板状拉伸试样，标距段尺寸为25mm，宽度为6mm，厚度为3mm，然后利用400#-2000#砂纸逐级对标距段进行打磨处理，最后进行拉伸试验，应变速率为1×10^-3s^-1，温度为室温，确定出合金的拉伸性能曲线。图3为实施例2的铸态双相Mg-7.6wt.％Li-6.1wt.％Zn(-0.8wt.％Y)合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。其中，横坐标为应变％，纵坐标为应力MPa。由图3可知，固溶处理前合金(铸态1)的室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为130MPa、162MPa和4.6％；固溶处理后合金(固溶态2)的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为193MPa、248MPa和4.8％。室温力学强度明显得到提升，其中屈服强度、抗拉强度较固溶前分别提升63MPa和86MPa。

实施例3

本实施例提高镁锂合金力学强度的合金化与热处理工艺方法，主要包括以下步骤：

1.将纯镁、纯锂、纯锌(纯度均为99.85～99.95％)和镁钇中间合金(钇含量30wt.％)为熔炼原料，通过真空熔炼得的合金液，在氩气保护条件下完成炉内浇铸成形，得到铸态镁锂锌钇合金，并随炉冷区至室温。

2.采用的镁锂合金成分：使用铸态Mg-Li-Zn-Y合金，其化学成分(质量百分比)为：7.8％Li，8.6％Zn，0.8％Y，82.7％Mg，杂质含量不超过0.1％。

3.固溶处理工艺：将铸态合金用包含石墨粉的铝箔严密包裹，在380℃固溶4小时，水淬冷却至室温，制得固溶态镁锂锌钇合金，即Mg-7.8wt.％Li-8.6wt.％Zn(-0.8wt.％Y)合金。

力学性能测试：利用线切割切取切狗骨头板状拉伸试样，标距段尺寸为25mm，宽度为6mm，厚度为3mm，然后利用400#-2000#砂纸逐级对标距段进行打磨处理，最后进行拉伸试验，应变速率为1×10^-3s^-1，温度为室温，确定出合金的拉伸性能曲线。图4为实施例3的铸态双相Mg-7.8wt.％Li-8.6wt.％Zn(-0.8wt.％Y)合金固溶处理前后的室温拉伸性能曲线。由图4可知，固溶处理前合金(铸态1)的室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为137MPa、179MPa和7％；固溶处理后合金(固溶态2)的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为275MPa、302MPa和0.7％。室温力学强度明显得到提升，其中屈服强度、抗拉强度较固溶前分别提升138MPa和123MPa。

结果表明，本发明将铸态镁锂合金用含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃固溶保温1～24小时，水淬冷却至室温。从而显著提高双相镁锂合金的力学强度，解决了铸态镁锂合金力学强度较低的问题，加快了高强度镁锂合金的工业化应用进程。本发明所用设备简单，成本较低，操作简单、方便。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固溶态的含Zn双相镁锂合金，其特征在于，所述固溶态双相镁锂合金是将镁、锂、锌和镁钇中间合金为原料，通过真空熔炼730～780℃得到合金液，在氩气下完成炉内浇铸成形，并随炉冷却至室温，得到铸态双相镁锂合金，然后将铸态双相镁锂合金用包含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃进行固溶处理，水淬冷至室温制得；所述锂含量为5～11wt.％、锌含量为3～12wt.％、钇含量为0～2wt.％、镁为余量；所述镁钇中间合金的钇含量为20～40wt.％。

2.根据权利要求1所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金，其特征在于，所述镁、锂和锌的纯度均为99.85～99.95％。

3.根据权利要求1所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金，其特征在于，所述固溶处理的时间为1～24h。

4.根据权利要求1所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金，其特征在于，所述石墨粉的规格为200～2000目。

5.根据权利要求1所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金，其特征在于，所述的铸态双相镁锂合金的屈服强度为121～137MPa、抗拉强度为155～179MPa；所述固溶态的镁锂合金的屈服强度为168～275MPa、抗拉强度为221～302MPa。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述的固溶态的含Zn双相镁锂合金制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1.将镁、锂和锌，或镁、锂、锌和镁钇中间合金为原料，通过真空熔炼730～780℃得的合金液，在氩气保护条件下完成炉内浇铸成形，并随炉冷却至室温，得到铸态双相镁锂合金；

S2.将铸态双相镁锂合金用包含石墨粉的铝箔包裹严密，在300～450℃进行固溶处理，水淬冷至室温，制得固溶态的含Zn双相镁锂合金。

7.权利要求1～5任一项所述的固溶态的含Zn镁锂合金在航空航天、武器装备、汽车或电子通讯领域中的应用。

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