专利名称：一种含锂镁合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金材料，特别是指一种具有低密度，高强度、刚度，较好塑性的含锂镁合金材料及其制备该含锂镁合金材料的方法。
背景技术：
锂是最轻的金属元素，它的密度为0.53g/cm3，仅有镁的三分之一，在镁合金中加入锂，将使其密度降低。
1910年，德国Masing在研究Li、Na、K与Mg相互作用时，发现Mg和Li发生有趣的结构转变，并认为该结构是超结构。1934～1936年，德、美、英三国研究者不约而同地研究了镁锂合金的结构转变，测定了二元相图，相继证实Li含量增加到5.7wt％时出现hcp-bcc的转变。从1942年起，美国Battelle研究所开始大规模研制镁锂合金，随后，美国陆军部与其合作，研制出了LA141合金并将其纳入航空材料标准AMS4386。后来，利用LA141制造了航天飞机Saturn-V用的镁锂合金部件。60年代中期至1990年，前苏联科学院开始研制镁锂合金，开发出了MA21，MA18等合金，并制出了强度与延性较好、组织稳定的镁锂合金零件。1983年苏联学者首先实现了MA21合金的超塑性。1984年首创了激光快速凝固细化表层晶粒的新工艺。
自70年代起，德国学者研究了镁锂相图及其合金，对激光快凝新工艺进行了研究。日本一些大学、产业界充分利用美、苏等国学者奠基性的工作成果，自80年代末开始，集中对二元Mg-Li、三元Mg-Li-Re合金进行研究，在8Li-1Zn系中获得最大超塑性延伸率δ＝840％，同时开发出了36Li-5Zn、36Li-5Al等密度仅为0.95mg/cm3比水还轻的合金。
现在对Mg-Li合金的研究仅限于α单相合金或α+β双相合金，很少有关β单相合金的研究报道，更无相关商业合金的资料。而Mg-Li合金β单相合金存在强度低、热稳定性较差的特点，将导致Mg-Li合金材料的变形能力，因此需对Mg-Li合金中含Li量进行有效的控制。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种含锂镁合金的材料。该镁合金的材料具有低密度，高强度、刚度，较好塑性，开拓了Mg-Li合金在β相区的单相合金的应用范围。
本发明的目的之二是提供一种制备含锂镁合金材料的制备方法。该制备方法能够有效的控制Li含量的添加。
本发明的一种含锂镁合金材料，是Mg-Li合金在β相区的单相区的具有四方晶体结构的镁锂基合金，其组分及含量为8.0％～15.0％的锂(Li)、1.0％～6.0％的铝(Al)、1.0％～4.0％的锌(Zn)、0.4％～1.5％的锆(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。
所述的含锂镁合金材料，其抗拉强度为σb＝180～280Mpa，屈服强度为σs＝130～260Mpa，延伸率为δ＝15～68％，密度为1.31～1.60。
本发明的一种含锂镁合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔炼方法熔炼合金；(3)在气氛保护环境下浇成铸锭；(4)将铸锭剥皮；(5)将剥皮后的铸锭进行350℃±10℃/24h的均匀化处理；(6)将均匀化处理后的铸锭再在430℃±10℃/48h作均匀化处理；(7)将处理后的铸锭在室温或250℃±5℃的条件下进行变形加工成制品。
本发明含锂镁合金的材料的优点是(1)开拓了Mg-Li合金在β单相合金的应用范围；(2)具有低密度、高比强度、高比刚度、较好塑性的特性；(3)加工工艺操作简单、方便。
图1是Mg-Li合金二元相图。
它反映了Li含量变化引起的合金相变化。随着Li含量的增加合金从α相区向β相区移动，室温情况下，Li含量超过11％则合金进入β单相区。
具体实施例方式
在本发明中，如非特指，所有的单位均为重量百分比单位。
本发明的一种含锂镁合金材料，发明人研究的重点是在β单相区的具有四方晶体结构的镁锂基合金。在提高合金强度而又不过分牺牲其优良性能的前提下，研究合金化强化；发展快速凝固组织细化的强化合金；研究熔炼工艺与技术；由于Mg-Li合金具有的超轻，密度比一般镁合金小15～25％；高比强；具有良好的冷热变形能力等特点，对进一步的开拓Mg-Li合金的应用范围是有必要的。
本发明的一种含锂镁合金材料，是Mg-Li合金在β单相区的具有四方晶体结构的镁锂基合金，其组分及含量为8.0％～15.0％的锂(Li)、1.0％～6.0％的铝(Al)、1.0％～4.0％的锌(Zn)、0.4％～1.5％的锆(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。
将上述各组分采用下列的制备方法进行制备含锂镁合金材料，其步骤有(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔炼方法熔炼合金；(3)在气氛保护环境下浇成铸锭；(4)将铸锭剥皮；(5)将剥皮后的铸锭进行350℃±10℃/24h的均匀化处理；(6)将均匀化处理后的铸锭再在430℃±10℃/48h作均匀化处理；(7)将处理后的铸锭在室温或250℃±5℃的条件下进行变形加工成制品。
针对采用上述方法制备得到的含锂镁合金材料进行性能测试，测试用金像显微镜、MTS材料力学性能试验机、万分之一天平设备进行，得到该含锂镁合金材料的抗拉强度为σb＝180～280Mpa，屈服强度为σs＝130～260Mpa，延伸率为δ＝15～68％，密度为1.31～1.60。
以下将通过具体实施例来进一步说明本发明，实施例仅用于说明，而不能限制本发明的权利要求的范围。
实施例1按下列配比配制100公斤含锂镁合金材料需称取出的各元素为锂(Li)15公斤、铝(Al)5公斤、锌(Zn)1公斤、锆(Zr)0.80公斤、稀土元素(Re)1.2公斤和余量的镁(Mg)。
制备方法包括将上述称取出的各元素在熔炼温度为680℃条件下熔炼，并在氩气保护环境下浇成铸锭，将铸锭用机床、酸性溶液剥皮后得到清洁表面，并将剥皮后的铸锭进行350℃±10℃/24h的均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭再在430℃±10℃/48h的均匀化处理，均匀化处理好后的铸锭在室温或250℃±5℃的条件下经锻造或轧制变形加工成制品。
将制品在250℃的温度下保温4小时，取出。即可达到一般使用性能要求。用HV-10A型小负荷维氏硬度计测试了在160℃时效时的时效硬化行为，加载载荷为1公斤，硬度最大值为125，并做拉伸性能实验，利用X射线和TEM对该状态的含锂镁合金材料进行了相组成分析。该含锂镁合金材料的抗拉强度为280Mpa，屈服强度为230Mpa，延伸率为15％，密度为1.40。
实施例2按下列配比配制100公斤含锂镁合金材料需称取出的各元素为锂(Li)10公斤、铝(Al)4.5公斤、锌(Zn)1公斤、锆(Zr)0.80公斤、稀土元素(Re)1.2公斤和余量的镁(Mg)。
制备方法包括将上述称取出的各元素在熔炼温度为720℃条件下熔炼，并在SF6的混合气体保护环境下浇成铸锭，将铸锭用机床、酸性溶液剥皮后得到清洁表面，并将剥皮后的铸锭进行350℃±10℃/24h的均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭再在430℃±10℃/48h的均匀化处理，均匀化处理好后的铸锭在室温或250℃±5℃的条件下经锻造或轧制变形加工成制品。
将制品在250℃的温度下保温4小时，取出。即可达到一般使用性能要求。用HV-10A型小负荷维氏硬度计测试了在160℃时效时的时效硬化行为，加载载荷为1公斤，硬度最大值为110，并做拉伸性能实验，利用X射线和TEM对该状态的含锂镁合金材料进行了相组成分析。该含锂镁合金材料的抗拉强度为240Mpa，屈服强度为190Mpa，延伸率为22％，密度为1.45。
本发明的含锂镁合金材料与AZ31变形镁合金相比，在强度相当的条件下，比强度提高了7～20％。
权利要求
1.一种含锂镁合金材料，其特征是Mg-Li合金在β单相区的具有四方晶体结构的镁锂基合金，其组分及含量为8.0％～15.0％的锂(Li)、1.0％～6.0％的铝(Al)、1.0％～4.0％的锌(Zn)、0.4％～1.5％的锆(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的镁(Mg)组成，所有百分数为重量百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的含锂镁合金材料，其特征在于抗拉强度为σb＝180～280Mpa。
3.根据权利要求1所述的含锂镁合金材料，其特征在于屈服强度为σs＝130～260Mpa。
4.根据权利要求1所述的含锂镁合金材料，其特征在于延伸率为δ＝15～68％。
5.根据权利要求1所述的含锂镁合金材料，其特征在于密度为1.31～1.60。
6.一种含锂镁合金材料的制备方法，其特征在于(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔炼方法熔炼合金；(3)在气氛保护环境下浇成铸锭；(4)将铸锭剥皮；(5)将剥皮后的铸锭进行350℃±10℃/24h的均匀化处理；(6)将均匀化处理后的铸锭再在430℃±10℃/48h作均匀化处理；(7)将处理后的铸锭在室温或250℃±5℃的条件下进行变形加工成制品。
7.根据权利要求6所述的含锂镁合金材料的制备方法，其特征在于熔炼合金的熔炼温度为680℃～720℃。
8.根据权利要求6所述的含锂镁合金材料的制备方法，其特征在于采用的气氛保护为惰性气氛或者含SF6的混合保护气氛。
9.根据权利要求8所述的含锂镁合金材料的制备方法，其特征在于采用的气氛保护为氩气。
全文摘要
本发明公开了一种含锂镁合金材料及其制备方法，该含锂镁合金材料是Mg－Li合金在β相区的单相合金，其组分及含量为8.0％～15.0％的锂(Li)、1.0％～6.0％的铝(Al)、1.0％～4.0％的锌(Zn)、0.4％～1.5％的锆(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的镁(Mg)组成。本发明的材料抗拉强度为σ
文档编号C22C1/02GK1605650SQ20041009618
公开日2005年4月13日 申请日期2004年12月1日 优先权日2004年12月1日
发明者周铁涛, 刘培英, 李焕喜, 胡成宇 申请人:北京航空航天大学