CN114210953A - 一种镁锂-铝复合材料零部件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种镁锂‑铝复合材料零部件及其制备方法和应用，该制备方法包括：将镁锂合金在惰性气氛保护下于550‑700℃加热至熔融状态，浇铸于铝合金壳体中，所述铝合金壳体外设有支撑模具，所述支撑模具浇铸前的温度控制在200‑500℃；冷却，得到表面为铝合金的镁锂复合铸锭或零部件；也可将所述锂镁复合铸锭进行塑性加工和/或表面处理，得到镁锂‑铝复合材料零部件。本发明所述方法制备的镁锂‑铝复合材料具有成本低，减少金属材料烧损，生产效率高，安全可控，可以大批量工业化生产的优点，该复合材料可进行轧制、锻造、冲压等塑性加工，可进行阳极氧化等表面处理，获得耐蚀、金属质感和多种色彩的外观效果的轻量化金属零部件。
Description
技术领域
本申请涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种镁锂-铝复合材料零部件及其制备方法和应用。
背景技术
镁锂合金属于镁合金中的一种，与镁合金相比，其延伸率和可加工性大大提高，密度也降低，是世界上密度最低的金属结构材料，是优异的轻量化金属结构材料，在航空航天和消费电子壳体等轻量化领域已经得到了应用。在镁中加入锂形成了镁锂合金，虽然降低了密度，改善了材料的加工性能，但由于加入更活泼的锂，其耐腐蚀性更差。
在镁锂合金的热锻、热轧等零部件热加工过程中，镁锂合金需要在高温空气中进行，镁锂合金往往大量氧化，需要专门的机加工工序去除掉表面氧化皮，这样导致金属损失较大，产品的精度也无法保证，同时加工工艺也繁琐复杂，更重要的是，镁锂合金在热加工和机加工时易燃，容易发生燃烧或***等安全事故，存在严重的生产安全风险性。在镁锂合金零部件的使用过程中，其依然存在容易腐蚀的问题，防护起来更为困难。镁锂合金表面涂装效果较差，一般只能用微弧氧化做防腐处理，再喷漆处理达到外观修饰，此种工序处理的零部件一般欠缺金属的高档质感，更类似于塑料的质感，导电、导热和耐磨性也差，难以适应消费电子外观壳体的需求，应用领域大大受限。其特性影响了消费者对轻量化和美感的共同追求，因此当前其只能作为部分内部件使用，难以作为高质量外观件使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁锂-铝复合材料零部件及其制备方法和应用，本发明提供的方法制备的镁锂-铝复合材料作为零部件，具有成本低，金属材料烧损少，生产安全，生产效率高，可以大批量工业化生产的优点，同时该复合材料可进行轧制、锻造、挤压、冲压等各种塑性加工，可进行阳极氧化等表面处理获得耐蚀、导热、金属质感和多种色彩的外观效果的各种轻量化金属零部件。
本发明提供了一种镁锂-铝复合材料零部件的制备方法，包括以下步骤：
将镁锂合金在惰性气氛保护下于550-700℃加热至熔融状态，于550-660℃浇铸于铝合金壳体中，所述铝合金壳体外设有支撑模具，所述支撑模具浇铸前的温度控制在200-500℃之间；以一定的冷却速度冷却至室温，得到至少一表面为铝合金的镁锂复合材料结构，如铸锭或零部件；
其中，所述镁锂-铝复合材料结构至少包括：
镁锂合金层，
铝合金层。
可选地，将所述镁锂复合铸锭进行塑性加工和/或表面处理，得到镁锂-铝复合材料零部件。
为了克服现有部件轻量化、外观质感和耐腐蚀等特性难以兼顾的不足，本发明提供一种镁锂/铝复合材料零部件，其具有较低的密度和良好的金属质感等效果，能耐腐蚀，制备加工工艺简单，利于推广应用。
本发明实施例首先准备镁锂合金和铝合金原料，采用常规的市售产品即可；例如牌号为LAZ931的镁锂合金、LZ91的镁锂合金、LAZ141的镁锂合金，铝合金成分牌号包括5052、1050、6013等。
本发明主要是将原料镁锂合金和铝合金通过固液复合的方式形成复合铸锭；其中，在惰性气氛保护下，先将镁锂合金母合金熔融成液态，再将镁锂合金精炼后的合金熔液浇铸于固态铝合金之中，在特定的高温条件下实现镁锂合金与铝合金的固液复合，随后冷却至室温，得到了镁锂-铝合金的复合铸造坯料，即为复合铸锭，其中间主体为镁锂合金，表面为铝合金的包覆层(简称铝层)。
在本发明的实施例中，所述的惰性保护气氛包括但不限于氩气；所述的镁锂合金加热至熔融状态的温度为550-700℃，优选为550-660℃。本发明一些实施例将镁锂合金原料清洗干净后，置于真空感应熔炼炉中熔炼，于550-660℃浇铸，得到镁锂合金熔液；另一些实施例中，可将清洗干净的镁锂合金置于压铸机的炉中熔炼形成熔融状态的镁锂合金液。
本发明实施例所述的固液复合方式中，所用的铝合金原料具有壳体形状结构，称为铝合金壳体，可为板状、圆筒状以及其他型状。具体地，所述铝合金壳体内表面优选经过表面处理，清洁无污染，以保证能够和镁锂合金在高温下进行很好的固液扩散结合。并且，所形成的铝合金包覆层的厚度大于等于0.1mm，优选为0.1mm-5mm；铝合金壳体外有支撑之铸模(即铸造的模具主要起到支持、支撑的作用，可称为支撑模具)。
在本发明的一些实施例中，所述铝合金壳体可以经过机械加工等工艺成型，与镁锂合金接触的表面洁净，粗糙度为1-50μm，增大了两相的接触面积，对提高结合力有帮助。即，铝合金与熔液接触的部位均应保持清洁，粗糙度为1-50μm；铝合金壳体厚度大于等于100μm，置于起到支撑作用的浇铸模具中。同时，所述的浇铸模具带有控温功能，可以控制模具的温度和冷却速度，保证对浇铸模具起到控温作用，浇铸前，该模具预热温度在200-500℃之间，优选为200-450℃，进一步优选为210-380℃，利于镁锂合金、铝合金两者结合好。
在惰性气氛保护下，所述熔融状态镁锂合金浇入或浇铸于铝合金壳体中，其中，浇铸用于铸造这个工艺的动作，特指包含，包括且不限于铸造，压铸，半固态压铸等所有的铸造工艺分支；浇铸温度控制在550-660℃，浇铸速度可为1.5-3.5kg/s，或是熔液压铸于模具中。当浇铸完成后，所述支撑模具优选保温10-1800s，更优选保温15-800s，随后以10-100k/s的冷却速度降温至室温，破真空，取出得到表面为铝合金的镁锂复合铸锭(镁锂合金-铝复合铸锭)。本发明实施例中上述的保温、降温工艺控制，利于轻量化零部件的制备。
所述的复合铸锭可以是板材，也可以是管材或型材，还可以是直接铸造成型的零部件。本发明实施例将所述的镁锂复合铸锭进行各种塑性加工，和/或铝合金表面进行阳极氧化等表面处理，得到镁锂-铝复合材料产品。
其中，所述的塑性加工包括轧制、锻造、挤压、冲压和压铸中的一种或多种，压铸件具有成本较低的优势；所述表面处理可为阳极氧化、高亮抛光、钝化、微弧氧化、喷漆的处理方式。
在本发明的一些具体实施例中，得到的复合铸锭可以在大气氛围下进行往复热轧或热连轧，热轧起始温度为200～450℃，终轧温度为150～300℃，道次压下率20％-50％；此外，冷轧道次压下率为5％-25％。
在本发明的一些具体实施例中，通过固液复合、压铸方式制备镁锂合金/铝复合零部件，其中铝合金位于零部件的外表面。
另一些具体实施例中，热处理温度优选为200-400℃，时间为0.5-10h；可将热处理后的复合材经过冲压，铝合金表面进行阳极氧化，制得耐蚀、外观具有金属质感的各种轻量化壳体零件或部件。
另一些具体实施例中，得到的复合铸锭可以进行热锻，热锻起始温度为200～450℃，终锻温度为150～300℃，变形率20-50％，精密模锻成形后经过热处理，铝合金表面进行阳极氧化，可以制得耐蚀、外观具有金属质感的各种轻量化壳体零部件。
本发明提供了如前文所述的制备方法得到的镁锂-铝复合材料零部件，其满足以下至少一项：密度低于2.7g/cm3、延伸率不低于15％、铝合金层的厚度大于等于0.1mm。
在本发明的某些实施例中，所述镁锂-铝复合材料结构可以包括：镁锂合金层；铝合金层；金属层，其位于所述镁锂合金层和铝合金层之间，所述金属层分布有金属单质、金属固溶体、金属化合物中的一种或者几种。
进一步地，所述镁锂-铝复合材料零部件的延伸率不低于15％，密度为1.0-2.7g/cm3。
在本发明的某些实施例中，所述金属层在界面形成金属键达到冶金结合，可以保证镁锂合金和铝合金的界面强度和具有承受塑性变形的能力；金属层中的铝含量沿着靠近铝合金的方向上逐渐增加；镁含量和锂含量沿着靠近镁锂合金的方向上逐渐增加。
在本发明的实施例中，所述金属层中含有Al、Mg、Li三种元素中的至少两种相互熔合形成的固溶体和/或合金相。所述金属层的界面强度优选为15～21MPa；所述金属层的厚度优选不低于1微米，更优选为1～50微米，更优选为10～45微米。所述金属层的厚度优选不低于1微米，可以保证镁锂合金和铝合金之间结合牢固，能够经历冲压或模锻等塑性成型而不开裂。
本发明一些实施例中镁锂-铝复合材料通过冶金结合形成，而另一些实施例中也可以包括机械结合。如果将镁锂合金层和铝合金层通过固液复合的冶金方式结合在一起，镁锂合金层和铝合金层的交界面形成金属层。该镁锂-铝复合材料结构的制备过程中，镁锂合金层中的镁元素和/或锂元素向铝合金层一侧扩散、与此同时铝合金层中的铝元素向镁锂合金层一侧扩散，最终形成金属层，金属层中至少包括Mg和Al或者Li和Al。金属层形成在镁锂合金层和铝合金层的交界面处，镁和/或锂以及铝的有效扩散，在金属层形成金属键(如Mg-Al金属键、Li-Al金属键)以达到冶金结合，从而保证镁锂合金层和铝合金层的界面强度以及塑性变形能力。
在本发明的实施例中，所述的复合材料零部件的内部主体为镁锂合金，表面为铝合金，铝合金包覆层的厚度大于等于0.1mm，例如为0.1-5mm；该复合材料为轻量化结构件或功能件，密度优选为1-2.7g/cm3。如果铝合金过厚则复合材料密度过大，无法达到轻量化需求，如果铝合金过薄，则难以起到防护镁锂合金与阳极氧化的装饰效果。
其中，所述镁锂-铝复合材料零部件的结构形式可为局部层状复合，或完全包覆层状复合。即，所述的复合材料零部件的结构形式可以是层状复合，也可以是局部复合，也可以是完全包覆，均在本发明的保护范围之内。并且，所述镁锂-铝复合材料零部件可为复合板材、复合管材或复合型材。
此外，本发明实施例还提供了如前文所述的制备方法得到的镁锂-铝复合材料零部件作为轻量化外观件的应用。
由于镁锂合金较为活泼，在进行常规的大气氛围下热轧或热锻时金属氧化严重，需要通过机加工去除大量的氧化皮，金属损失较为严重，加工工艺也较为繁琐，生产效率不高，存在生产安全的隐患；而镁锂合金本身原材料较为昂贵，这些共同因素造成了镁锂合金生产成本居高不下。
与现有技术相比，本发明实施例提供了一种镁锂-铝复合材料零部件的制备方法，其主要步骤如下：在惰性气氛保护下，将镁锂合金精炼后的合金熔液浇铸于铝合金壳体之中，在一定温度下实现镁锂合金与铝合金的固液复合，随后冷却至室温，得到了镁锂-铝合金的复合铸造坯料，复合坯料可以进行热轧、热锻加工、热处理及各种常温塑性变形，形成所需要的各种形状和尺寸的零部件。其中，通过镁锂合金主体和铝层的厚度组合，可以得到不同厚度比例搭配的镁锂-铝合金复合结构零部件。
本发明主要用铝合金壳体来保护镁锂合金的表面，很大程度上避免镁锂合金在热加工时的氧化问题，镁锂合金可以实现与铝合金的共线生产，也可以像普通铝合金一样实现热轧、热锻工艺，无需专门的机加工来去除其表面的氧化皮即可进行精密冷加工；本发明还可以实现密度为1.0-2.7kg/cm3的轻量化金属复合材料组合，所得的复合材料具有良好的塑性加工能力，可以获得高成型性、良好防护与外观颜色、金属质感、高耐磨等多功能金属复合材料，在航空航天、消费电子壳体结构等领域均具有良好的应用和前景。
本发明制备复合材料零部件的方法简单，可实现工艺多样化，成本低，产量高，两种材料结合强度高，可以进行冲压等零部件加工，可进行阳极氧化等表面处理，从而获得金属质感和多种色彩的外观效果；制备得到的复合材料绿色环保，可回收。
附图说明
图1为实施例1中的复合板的光学显微镜照片；
图2为实施例1中的镁锂合金-铝复合材料冲压后实物照片；
图3为实施例2中的镁锂合金-铝复合管材照片；
图4为实施例3中的镁锂-铝压铸复合后喷砂阳极氧化的实物照片。
具体实施方式
下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的镁锂-铝复合材料及其制备方法和应用进行具体地描述。本发明实施例采用市售原料；所述铝合金壳体粗糙度为1-50μm。
实施例1复合板材制备
1.材料准备
将65kg牌号为LAZ931的镁锂合金清洗干净，置于真空感应熔炼炉中熔炼，温度保持在653℃，得到镁锂合金熔液。其中真空感应熔炼炉内保护气氛为氩气，浇铸模具为石墨模具，模具内腔高度80cm、宽度60cm、厚度15cm，紧贴该模具内壁放置上下端开口的铝合金壳体，铝合金牌号5052、壁厚1cm。铝合金壳体和熔液接触的表面经过除油、碱洗、酸洗处理保持清洁无污染。铝壳内表面粗糙度为32μm。上述模具带有温度控制功能，将模具整体预热到350℃。
2.复合板浇铸
将上述的镁锂合金熔液浇铸于所述模具内铝合金壳体中，浇铸速度为1.5kg/s，同时控制模具的温度，将温度控制在468℃，并保持18s，然后以53K/s的速度冷却至室温，破真空，取出复合铸锭。
3.热轧
将取出的复合铸锭再放置于加热炉中，升温加热至400℃，到温后启动热轧机，以15cm-7.5cm-3.5cm-1.7cm-0.9cm-0.4cm-0.2cm的厚度依次轧制成复合板坯。
4.冷轧
将热轧后的复合板坯进入冷轧机，依次进行2mm-1.8mm-1.4mm-1.1mm-1mm-0.9mm的轧制。
将冷轧后的复合板在230℃真空炉中进行退火，保温时间0.5h，得到可用于消费电子壳体的镁锂-铝复合冲压薄板。
图1为复合板的光学显微镜照片，其中镁锂合金位于下部，厚度约0.75mm，铝合金位于上部，厚度约0.12mm，界面处金属层厚度不低于1微米；界面平直光滑，无可察觉到的缝隙及明显波动。
将本发明实施例1制备的镁锂-铝复合薄板(镁锂-铝复合材料零部件)按照GB/T228.1-2010进行拉伸试验，测得其拉伸强度为245MPa，延伸率为32％；按照GB/T33334-2016进行界面拉伸剪切强度测试，测得其复合强度为16MPa。按照GB6458-86检测其耐中性盐雾时间，检测结果为102小时。采用GB/T1423-1996规定的方法测试其密度，检测结果为1.6g/cm3。用光学显微镜进行截面分析，即可测量出各层的厚度。将该复合材料进行冲压，得到如图2所示的冲压件，冲压后无开裂分层等现象。
本发明实施例1制备的镁锂-铝复合材料的性能指标详见表1。
实施例2复合管材制备
1.材料准备
将43kg牌号为LZ91的镁锂合金清洗干净，置于真空感应熔炼炉中熔炼，温度保持在583℃，得到镁锂合金熔液。其中真空感应熔炼炉内保护气氛为氩气。将牌号为1050的铝合金圆筒和石墨圆柱组合形成管状空腔，作为浇铸模具。其中石墨圆柱位于模具中心，直径53mm，铝合金圆筒直径为280mm，壁厚5mm，它们之间形成的圆环形间隙用以浇铸镁锂合金熔液。
熔炼、浇铸前，将所述的镁锂合金和铝合金圆筒在水溶液中用5％盐酸洗除掉氧化皮，用粒度为7.8微米的氧化铝沙粒喷砂使之粗糙化，两种合金材料经历水洗、无水乙醇漂洗后，在常温下晾干备用。上述模具带有温度控制功能，将模具整体预热到250℃。
2.复合管材浇铸
将上述的镁锂合金熔液浇铸于模具的圆环形间隙中，浇铸速度为3.2kg/s，同时控制模具的温度，将温度控制在328℃，并保持68s，然后以96K/s的速度冷却至室温，破真空，取出复合铸管。
3.热锻
将取出的复合铸管再放置于加热炉中，升温加热至230℃，到温后启动热锻机进行模锻。其中芯棒直径20mm，热锻外圆模具直径依次为140mm-80mm-40mm-25mm；一边模锻，铸管一边以35圈/min的速度围绕圆心转动，最终将复合管锻造成外径25mm、内径20mm的复合圆管。
4.热处理
将热锻后的复合圆管在200℃下退火，保温时间1h，管材表面经机加工后得到如图3所示，为轻量化镁锂-铝复合管材。
将本发明实施例2制备的轻量化镁锂-铝复合管材(镁锂-铝复合材料零部件)按照实施例1中相同的方法进行试验，测得其拉伸强度为245MPa，延伸率为32％，界面剪切复合强度为16MPa，检测其耐中性盐雾时间为102小时。密度检测结果为1.5g/cm3。
本发明实施例2制备的镁锂-铝复合材料的性能指标详见表1。
实施例3成型零部件制备
用压铸方式制备镁锂合金/铝复合零部件，其中铝合金位于零部件的外表面。
1.材料准备
将300g牌号为LAZ141的镁锂合金清洗干净，置于压铸机的炉中熔炼，压铸温度582℃，压力1.5MPa，保护气氛为氩气，压铸模具为钢模。将6013铝合金在水溶液中用5％盐酸清洗除掉氧化皮，用粒度为7.8微米的氧化铝沙粒双面喷砂铝合金使之粗糙化。铝合金经冲压成型后紧贴于钢模内表面，壁厚1mm。该模具带有温度控制功能，将模具整体预热到250℃。
2.复合零部件压铸
将形成的镁锂合金熔液压铸于上述模具中，同时控制模具的温度，将温度控制在368℃，并保持120s，然后破真空，取出复合铸锭。
3.热处理
将压铸后的复合铸锭在280℃氩气保护真空炉中进行退火，保温时间2h，得到表面覆盖铝层、内部主体为镁锂合金的复合零部件。
4.表面处理
将得到的复合零部件内外面进行喷漆保护，其铝合金外表面进行打磨、抛光处理，然后喷砂，再经过硫酸阳极氧化，沸水煮45min后，得到具有金属质感的银白色金属外观件，照片如图4所示。
按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备的镁锂-铝复合材料进行检测，其拉伸强度为256MPa，延伸率为34％；复合强度为21MPa；密度为1.4g/cm3；耐中性盐雾时间为139小时。
本发明实施例1-3制备的镁锂-铝复合材料的性能指标详见表1。
表1本发明实施例制备的复合材料性能指标
本发明的镁锂/铝复合材料由镁锂合金和铝合金层状壳体通过固液复合而成，具有轻量化特性(密度可为1.0-2.7kg/cm3)，同时能够进行塑性变形加工，也可以进行阳极氧化处理，外观美观耐磨，具有金属光泽；具有良好的塑性，延伸率不低于15％，可以兼容现有的冲压或模锻生产线，包铝层(铝合金)经过塑性变形后不会开裂，可阳极氧化。
本发明制备方法效率高，成本低，可通过成熟的热轧复合等工艺生产；包铝层在零件的镁锂合金经过遮蔽之后，可以进行常规的阳极氧化、着色处理，具有阳极氧化染色性和金属光泽，耐磨防腐性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。
Claims (10)
1.一种镁锂-铝复合材料零部件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将镁锂合金在惰性气氛保护下于550-700℃加热至熔融状态，浇铸于铝合金壳体中，所述铝合金壳体外设有支撑模具，所述支撑模具浇铸前的温度控制在200-500℃之间；以一定的冷却速度冷却至室温，得到至少一表面为铝合金的镁锂复合材料结构；
其中，所述镁锂-铝复合材料结构至少包括：
镁锂合金层，
铝合金层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔融状态的镁锂合金浇入所述铝合金壳体后，所述支撑模具保温10-1800s，随后以10-100k/s的冷却速度降温至室温，得到至少一表面为铝合金的镁锂-铝复合材料结构。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述以10-100k/s的冷却速度降温至室温之后，所述方法还包括：
进行塑性加工，所述塑性加工包括轧制、锻造、挤压、冲压和压铸中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述塑性加工之后，所述方法还包括：
进行表面处理，所述表面处理包括但不限于阳极氧化、高亮抛光、钝化、微弧氧化、喷漆。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述镁锂合金浇铸温度为550-660℃，和/或，浇铸时所述铝合金接触的表面粗糙度为1-50μm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金壳体的厚度大于等于0.1mm，优选为0.1-5mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的镁锂-铝复合材料零部件，其满足如下至少一项：
密度低于2.7g/cm3、延伸率不低于15％、铝合金层的厚度大于等于0.1mm。
8.根据权利要求7所述的镁锂-铝复合材料零部件，其特征在于，所述镁锂-铝复合材料结构至少包括：镁锂合金层、铝合金层和位于两者之间的金属层；所述金属层分布有金属单质、金属固溶体、金属化合物中的一种或者几种。
9.根据权利要求7所述的镁锂-铝复合材料零部件，其特征在于，所述镁锂-铝复合材料零部件的结构形式为局部层状复合或完全包覆层状复合，所述镁锂-铝复合材料零部件为板材、管材或型材。
10.如权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的镁锂-铝复合材料零部件作为轻量化外观件的应用。
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