CN113430436B

CN113430436B - 一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113430436B
Application number: CN202110687463.XA
Authority: CN
Inventors: 巫瑞智; 安迪; 魏震; 张景怀; 郝晓伟; 王香
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2041-06-21
Also published as: CN113430436A

Abstract

本发明提供一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金及其制备方法，成分及百分含量如下：Li：5.7～10.3％；Zn：5～7.5％；Y：1～2％；其余为Mg；所述Zn/Y(wt％)＝5。所用原材料为工业纯镁锭、工业纯锂锭、工业纯锌锭以及Mg‑20.39wt.％Y中间合金，通过真空熔炼、机械搅拌、电磁搅拌获得低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金。本发明通过引入适量的Li元素和原位自生成准晶相，在保证合金密度小于1.59g/cm³的同时，可使镁锂合金的弹性模量突破45GPa的瓶颈；本发明对比其它通过稀土强化的镁合金中稀土含量，准晶相所需稀土元素的量明显较少，可减少20％以上的稀土用量，显著降低材料成本。

Description

一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金及其制备方法，属于超轻高模量镁锂合金领域。

背景技术

镁锂合金被认为是到目前为止最轻的一种金属结构材料。镁锂合金在比强度、比刚度等方面具有其它合金无可比拟的优势，此外，镁锂合金还具有很多其他优点，诸如导热性好，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果好、生物相容性好，资源丰富等等。这使得镁锂合金系在航空航天、交通运输、通讯电子工业等领域具有很大的开发潜能，并受到许多国家的青睐。随着现代工业领域对轻量化材料和器件的迫切需求不断增加，镁锂合金在核工业、汽车、IT产业、医疗器械等领域逐渐崭露头角，并成为最具有发展潜力的结构材料之一。

然而，镁锂合金的发展和应用仍然存在许多问题，例如相对于变形铝合金或钢铁材料，通常情况下镁锂合金虽然拥有低密度优势，一般在1.35-1.65g/cm³之间，但是弹性模量和强韧性仍需要进一步提高，纯锂的弹性模量仅为4.9GPa，现阶段成熟型号的镁锂合金弹性模量范围一般在35-45GPa，很难突破45GPa，尤其是对于双相镁锂合金或高锂含量的单相Beta(Li)合金来说，其弹性模量更低。弹性模量是超轻镁锂合金材料作为结构材料时必须考虑的重要参数之一，弹性模量越高，材料刚度越大，抵抗弹性变形的能力越大。

现阶段研究表明，准晶相(I-phase)具有较高的模量。据报道，准晶相的弹性模量为105Gpa，另外，大量文献表明，准晶相在镁锂合金中可显著提升合金的强韧性。因此，深入研究原位自生成准晶相在超轻镁锂合金中的引入，不仅可大幅度提升合金的强韧性，还有望显著提升镁锂合金的模量，极大推动超轻镁锂合金的工程应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过原位自生成准晶相提升双相镁锂合金材料弹性模量的方法，该方法可以在突破铸态镁锂合金弹性模量小于45GPa的瓶颈的同时保持低密度优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金，成分及百分含量如下：Li：5.7～10.3％；Zn：5～7.5％；Y：1～2％；其余为Mg；所述Zn/Y(wt％)＝5。

一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金的制备方法，所用原材料为工业纯镁锭、工业纯锂锭、工业纯锌锭以及Mg-20.39wt.％Y中间合金，通过真空熔炼、机械搅拌、电磁搅拌获得低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金；

按照原料高低的熔点、挥发特性、易氧化程度以及与铁坩埚是否反应等因素来决定原材料添加顺序和摆放位置；从下到上依次为金属Zn、Mg-20.39wt.％Y中间合金、Mg、Li；最后，摆放和固定浇铸模具，关闭炉盖；

打开冷却***，当真空度降至10^-1P时停止抽取，随后向熔炼炉内冲入高纯氩气至真空度为6×10^-2MPa；

将功率升至15kW先预热1h使原料水分去除并受热均匀，再将功率升至25kW、温度升至700℃左右约25min使其全部熔化，最后功率降至20kW、温度降至650℃左右保温40min，保温阶段过程中，应进行3-5min的机械搅拌，搅拌速度要缓慢切匀速，以便获得更均匀的熔融金属；除气后进行浇注；升温过程和保温过程的温度和时间应该适中，应以全部熔化和不出现严重挥发为主要原则；此外，由于熔炉内部的感应线圈所提供的电磁力，使得熔融金属与电磁力相互作用，起到电磁搅拌的效果，通过充分结合电磁搅拌和机械搅拌，将会加快Mg-20.39wt.％Y中间合金的快速熔化及均匀分布，极大的减少铸锭中轻元素和重元素的上下偏析；

待炉内金属全部熔化且混合均匀后停止加热，随后迅速将合金液体浇铸到圆柱体模具中，待冷却1h后开炉取出即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过引入适量的Li元素和原位自生成准晶相，在保证合金密度小于1.59g/cm³的同时，可使镁锂合金的弹性模量突破45GPa的瓶颈。

2.本发明通过精密调节Zn、Y元素的成分含量，达到镁锂合金中形成原位自生成准晶强化相的目的，对比其它通过稀土强化的镁合金中稀土含量，可以看出，准晶相所需稀土元素的量明显较少，可减少20％以上的稀土用量，显著降低材料成本。

附图说明

图1a-b本发明双相镁锂合金(实施例一、实施例二)显微形貌；

图2a-b本发明双相镁锂合金(实施例一、实施例二)XRD物相分析图；

图3a-b本发明双相镁锂合金准晶相的扫描电镜形貌及能谱；

图4a-b本发明双相镁锂合金准晶相的透射电镜形貌。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金的成分及百分含量如下：Li：5.7～10.3％；Zn：5～7.5％；Y：1～2％；其余为Mg。

本发明的具有低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金的制备方法为：

所用原材料为工业纯镁锭(99.9wt.％)、工业纯锂锭(99.9wt.％)、工业纯锌锭(99.9wt.％)以及Mg-20.39wt.％Y中间合金，通过真空熔炼、机械搅拌、电磁搅拌获得所述镁锂合金。

本发明的设计思路为：

Li元素含量(wt％)为5.7～10.3％，极大地降低了合金的密度。

Y元素作为Mg-Li-Zn-Y合金中产生原位自生成准晶相的重要元素，含量(wt％)为1～2％，可以在保证低密度的同时生成足够多的准晶相来提高弹性模量。

当Zn/Y(wt％)为4.38-7时，采用真空熔炼得到的镁锂合金组织为α-Mg、β-Li、I-phase和少量W-phase，当Zn/Y(wt％)为1.1-4.38时，主要形成I-phase和W-phase，由于W-phase为立方结构，其与α-Mg基体界面结合力较弱，与I-phase相比，W-phase会给合金的力学性能带来不利的影响，因此为了尽量减少W-phase的生成，同时为了保证材料拥有高弹性模量和低密度优势，因此设定Zn/Y(wt％)＝5。

此外，与添加一定含量Mg₃Zn₆Y₁准晶相的铸态镁锂合金相比，由于该合金在成分设计优化阶段精确控制成分配比，使其在熔炼凝固过程中可以获得原位自生成I-phase，这样一方面可以大大节省生产成本，另一方面可以使镁锂合金铸锭拥有更好的成分均匀性，减少成分偏析和准晶强化相团聚的现象，更有利于提升合金的弹性模量，获得优质的超轻镁锂合金铸锭。

实施例一：

1)、成分组成

按总质量6千克进行配料，所选取的各合金元素质量为：锂(Li)510克、锌(Zn)300克、镁钇中间合金(Mg-20.39wt.％Y)300克，其余为镁(Mg)。按质量百分比计，合金的名义成分为Mg-8.5Li-5Zn-1Y。

2)、合金熔炼

按照原料高低的熔点、挥发特性、易氧化程度以及与铁坩埚是否反应等因素来决定原材料添加顺序和摆放位置。从下到上依次为金属Zn、Mg-20.39wt.％Y中间合金、Mg、Li；最后，摆放和固定浇铸模具，关闭炉盖。

打开冷却***，当真空度降至10^-1P时停止抽取，随后向熔炼炉内冲入高纯氩气至真空度为6×10^-2MPa。

将功率升至15kW先预热1h使原料水分去除并受热均匀，再将功率升至25kW、温度升至700℃左右约25min使其全部熔化，最后功率降至20kW、温度降至650℃左右保温40min，保温阶段过程中，应进行3-5min的机械搅拌，搅拌速度要缓慢切匀速，以便获得更均匀的熔融金属。除气后进行浇注。升温过程和保温过程的温度和时间应该适中，应以全部熔化和不出现严重挥发为主要原则。此外，由于熔炉内部的感应线圈所提供的电磁力，使得熔融金属与电磁力相互作用，起到电磁搅拌的效果，通过充分结合电磁搅拌和机械搅拌，将会加快Mg-20.39wt.％Y中间合金的快速熔化及均匀分布，极大的减少铸锭中轻元素和重元素的上下偏析。

3)、微观组织表征

微观组织表征试样制备过程如下：对试样进行机械抛光，利用光学显微镜对铸态合金组织形貌进行分析，表明该合金为典型双相镁锂合金，未发现明显成分偏析和第二相团聚现象，相应显微组织见附图1(a)；利用X射线衍射分析对合金进行相分析，表明合金的相组成为α-Mg、β-Li、I-phase和W-phase，相应XRD图谱见附图2(a)；通过扫描电子显微镜观察准晶相图片见附图3(a)，能谱表明白色骨骼状第二相为准晶相见附图3(b)；通过透射电子显微镜观察骨骼状准晶相图片见附图4。

4)、力学性能测试

该合金的弹性模量测试依据采用Ed：GB/T 22315-2008进行测试，试样尺寸长度为75mm，宽度为25mm，高度为5mm；该合金的密度测试依据采用密度ρ_s：GB/T 1423-1996进行测试，试样尺寸长宽高均为10mm；测试结果表明该合金的弹性模量达到46.2GPa，密度为1.55g/cm³。

实施例二：

1)、成分组成

按总质量6千克进行配料，所选取的各合金元素质量为：锂(Li)510克、锌(Zn)450克、镁钇中间合金(Mg-20.39wt.％Y)450克，其余为镁(Mg)。按质量百分比计，合金的名义成分为Mg-8.5Li-7.5Zn-1.5Y。

2)、合金熔炼

参考实施例一的合金熔炼过程。

3)、微观组织表征

参考实施例一的微观组织表征；与实施例一中相比，准晶相形貌未发生明显改变见附图1(b)，准晶相含量有所增加见附图2(b)。

4)、力学性能测试

参考实施例一的力学性能测试，与实施例一中相比，该合金的弹性模量有所增加，达到47.6GPa，合金密度为1.59g/cm³。

实施例结果表明，本发明通过精确调控各合金元素，使镁锂合金中产生原位自生成准晶相，提供了一种提高双相镁锂合金弹性模量的方法。此方法制备的镁锂合金弹性模量可突破45GPa的瓶颈，达到了真正意义上的超轻高模量合金，为结构部件轻量化需求提供了候选材料。

Claims

1.一种低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金的制备方法，其特征是，所述合金成分及百分含量如下：Li：5.7～10.3％；Zn：5～7.5％；Y：1～2％；其余为Mg；所述Zn/Y(wt％)＝5；所用原材料为工业纯镁锭、工业纯锂锭、工业纯锌锭以及Mg-20.39wt.％Y中间合金，通过真空熔炼、机械搅拌、电磁搅拌获得低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金；具体步骤为：

从下到上依次为金属Zn、Mg-20.39wt.％Y中间合金、Mg、Li；最后，摆放和固定浇铸模具，关闭炉盖；打开冷却***，当真空度降至10^-1P时停止抽取，随后向熔炼炉内冲入高纯氩气至真空度为6×10^-2MPa；将功率升至15kW先预热1h使原料水分去除并受热均匀，再将功率升至25kW、温度升至700℃，时间为25min，使其全部熔化，最后功率降至20kW、温度降至650℃，保温40min，保温阶段过程中，应进行3-5min的机械搅拌，搅拌速度要缓慢切匀速，以便获得更均匀的熔融金属；除气后进行浇注；升温过程和保温过程的温度和时间应该适中，应以全部熔化和不出现严重挥发为主要原则；此外，由于熔炉内部的感应线圈所提供的电磁力，使得熔融金属与电磁力相互作用，起到电磁搅拌的效果，通过充分结合电磁搅拌和机械搅拌，将会加快Mg-20.39wt.％Y中间合金的快速熔化及均匀分布，极大的减少铸锭中轻元素和重元素的上下偏析；待炉内金属全部熔化且混合均匀后停止加热，随后迅速将合金液体浇铸到圆柱体模具中，待冷却1h后开炉取出即可。

2.一种由权利要求1所述方法制备的低密度高弹性模量铸态双相镁锂合金，其特征是，成分及百分含量如下：Li：5.7～10.3％；Zn：5～7.5％；Y：1～2％；其余为Mg；所述Zn/Y(wt％)＝5。