一种高强韧性镁锂合金层状复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供的是一种高强韧性镁锂合金层状复合材料及其制备方法。(a)将α?Mg单相Mg?Li合金板材和β?Li单相Mg?Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块；(b)将步骤(a)得到的Mg?Li合金板材进行固定；(c)将固定好的Mg?Li合金板材进行复合轧制；(d)将步骤(c)得到的Mg?Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块，叠加固定后进行复合轧制；(e)重复步骤(d)5～8道次得到累积叠轧复合板材；(f)将步骤(e)得到的累积叠轧复合板材在热处理炉中进行退火处理。本发明通过复合累积叠轧，实现“搓轧区”的形成，复合板材界面结合效果良好。然后，通过退火处理进一步提高复合板材的界面结合强度、延伸率等力学性能。
【专利说明】
一种高强韧性镁锂合金层状复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种镁锂合金层状复合材料。本发明也涉及的是一种镁锂合金层状复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]镁锂合金是迄今为止最轻的金属结构材料，其密度一般为1.35?1.65g/cm3，比普通镁合金轻1/4?1/3，比铝合金轻1/3?1/2，具有较高的比强度、比刚度、优良的抗震性能及抗高能粒子穿透能力，是航空、航天、核工业等领域最理想的金属结构材料之一。
[0003]在镁锂二元合金中，根据Li含量的不同，合金的相组成和晶体结构也将随之发生改变:当Li含量小于5.7%时，合金为a-Mg(Li在Mg中的固溶体)单相组织，具有密排六方晶体结构；当Li含量大于10.3%时，合金为β-Li (Mg在Li内的固溶体)单相组织，具有体心立方晶体结构。a-Mg单相Mg-Li合金强度较高但塑性加工变形能力较差，β-Li单相Mg-Li合金塑性变形能力良好但强度较低，这使得两种合金的工业化生产和应用受到一定的限制。开发强度、塑性等综合力学性能良好的镁锂合金，提高镁锂合金产品质量，对于扩大其在航空航天、交通运输等的应用具有十分重要的意义。
[0004]为了改善这两种镁锂合金的性能，合金化、添加晶粒细化剂和塑性变形是比较常见的三种方法。公开号为CN102912203的专利文件中，公开了一种“晶粒细化型镁锂合金及其制备方法”，通过向β-Li单相Mg-Li合金中加入适量的稀土元素La，使合金的强度和硬度得到明显改善;公开号为CN101713034的专利文件中，公开了一种“细化LA141镁锂合金晶粒的方法”，通过在熔炼过程中添加Al-5T1-lB中间合金细化LA141合金晶粒，得到铸态组织细小并具有良好强度和塑性且后续加工性能优良的合金;T.L.Zhu等通过对Mg-5L1-lAl单相合金进行乳制变形，显著提高了合金的塑性并明显改善了乳制合金的各向异性(Influenceof Y and Nd on microstructure, texture and anisotropy of Mg-5L1-lAl,MaterialsScience&Engineering A,2014,600:1-7)。虽然上述方法使得镁锂合金的性能得到较大程度的提尚，但提升能力有限。
[0005]累积叠乳技术是由日本国立大阪大学的Saito教授于1998年首次提出，并利用这种压下量为50%的工艺成功使纯铝的晶粒尺寸细化至Ιμπι以下，使其具有超细晶结构，从而显著提高合金的综合力学性能。累积叠乳技术被认为是唯一的能够实现大规模工业化连续生产超细晶材料的剧烈塑性变形技术。异种金属复合材料是一种新型的功能材料，它是通过一定的复合技术使两种或两种以上物理、化学及力学性能不同的金属材料结合在一起，从而能够在保证金属材料各自原有特性的基础上，具有单个金属材料所不具有的特殊性能，从而有效降低成本、更大程度上实现材料的工业化生产价值。目前，利用累积叠乳技术已制备出各种异种金属复合材料，如Al/Cu、Mg/Al、Zr/Nb、Al/Ti/Mg等。
[0006]α-Mg单相Mg-Li合金具有密排六方晶体结构，β-Li单相Mg-Li合金具有体心立方晶体结构。通常，具有不同晶体结构类型的合金复合时由于晶格间存在一定的半共格或非共格界面，难以实现较好的界面结合。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种界面结合性能好，抗拉强度及延伸率大的高强韧性镁锂合金层状复合材料。本发明的目的还在于提供一种能提高复合板材的界面结合强度、延伸率等力学性能的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法。
[0008]本发明的高强韧性镁锂合金层状复合材料是由α-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材经累积叠乳及退火处理所得到的镁锂合金层状复合材料。
[0009]本发明的高强韧性镁锂合金层状复合材料还可以包括:
[0010]1、所述α-Mg单相Mg-Li合金板材的质量百分含量为L1:4.5%?5.5%，Al:0.5%?2.0%,不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si杂质总量小于0.03%,余量为Mg ；所述β-Li单相Mg-Li合金板材的质量百分含量为L1:11.5%?15.0%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、皿11、3丨杂质总量小于0.03%，余量为Mg。
[0011 ] 2、所述a-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材的初始厚度均为2mm。
[0012]本发明的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法为:
[0013](a)分别将a-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块，首先进行表面清洗，然后进行表面打磨处理；
[00?4 ] (b)将步骤(a)得到的Mg-L i合金板材进行固定；
[0015](C)将步骤(b)得到的固定好的Mg-Li合金板材进行复合乳制，乳制条件:温度为300 °C ?400 °C，压下量为55% ?65%，保温5min?15min;
[0016](d)将步骤(c)得到的Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块，叠加固定后进行复合乳制，乳制条件:温度为300°C?400°C，压下量为55%?65%，保温5min?1min;
[0017](e)重复步骤(d)5?8道次得到累积叠乳复合板材；
[0018](f)将步骤(e)得到的累积叠乳复合板材在热处理炉中进行退火处理，温度为300°C?450°C，时间为15min?90min。
[0019 ]本发明的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法还可以包括:
[0020]对于α-Mg单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为:L1: 4.5 %?5.5 %，Al:
0.5%?2.0%，不可避免的？6、&1、祖、111、3丨等杂质总量小于0.03%，余量为1%。对于0-1^单相镁锂合金，其组成成分和质量百分含量为:L1:11.5%?15.0%，Al:0.5%?2.0%，不可避免的？6、&1、附、111、31等杂质总量小于0.03%，余量为1%。板材初始厚度均为2111111。
[0021]步骤(a)中两种镁锂合金表面清洗步骤为首先用稀盐酸清洗，以去除合金表面大块油污;再用细砂纸打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，进一步去除合金表面油污；最后用无水乙醇冲洗并烘干。对于两种合金不同的是β-Li单相镁锂合金用稀盐酸清洗时间稍短。
[0022]步骤(a)中表面打磨处理为使用钢刷打磨。
[0023]步骤(b)中将两块镁锂合金板材进行固定的方法为四角钻孔并用铆钉或细铁丝固定。
[0024]在本发明中，由于两种Mg-Li合金的变形能力差异较大，在复合乳制过程中将形成类似于异步乳制复合产生较大剪切应力的“搓乳区”。由于“搓乳区”的存在，复合板材界面结合效果良好。此外，对于异种金属复合材料，界面作为整个复合板材较脆弱的部分，往往成为科研工作者们的研究热点问题。界面区组织形貌及第二相决定了界面结合强度甚至整个复合板材的力学性能。与普通累积叠乳复合板材不同(界面处通常为氧化物颗粒，不利于界面结合)，α/β镁锂合金复合板材经过退火处理后界面处将形成成分介于α-Mg单相与β-Li单相Mg-Li合金之间的两相扩散区，双相组织具有优异的强度与塑性配合，因此累积叠乳后适当工艺的退火处理可以显著提高界面的结合强度，进而改善复合板材的综合力学性能。
[0025]本发明选取具有α-Mg单相和具有β-Li单相的两种Mg-Li合金板材作为初始材料，在适当的工艺下进行复合累积叠乳，得到一种兼具两种Mg-Li合金优良特性的层状复合材料。然后，在适当地工艺下对复合板材进行退火处理，进一步提高其界面结合强度及综合力学性能，最终制备出一种高强韧性镁锂合金层状复合材料。
[0026]本发明所具有的实质性特点和有益效果:
[0027](I)本发明将强度较高的a-Mg单相Mg-Li合金和塑韧性良好的β-Li单相Mg-Li合金通过累积叠乳工艺结合在一起，获得了 α/β交替的镁锂合金层状复合材料，复合板材兼具高强度与良好塑韧性。
[0028](2)由于a-Mg单相Mg-Li合金和β-Li单相Mg-Li合金的性能存在较大差异，塑性变形加工及退火处理工艺也均有较大差异，本发明对复合板材在塑性变形及退火处理工艺上进行了探索，最终获得了性能最佳的板材制备工艺。
[0029](3)本发明中，利用同步乳机在适当地乳制工艺下对异种Mg-Li合金进行复合累积叠乳，由于两种Mg-Li合金塑性变形能力存在差异，在变形过程中界面处将产生类似于异步乳制的“搓乳区”，“搓乳区”的形成有利于复合板材形成牢固的界面结合。在同步乳机上实现类似于异步乳制的效果，也是本发明的创新特点。
[0030](4)与普通α+β双相Mg-Li合金累积叠乳复合板材不同(《高强韧性镁锂合金及累积叠乳焊工艺制备高强韧性镁锂合金的方法》(公开号:CN104498793))，利用本发明制备出的α/β交替的镁锂合金层状复合材料塑性变形加工性能更优。
[0031](5)本发明将累积叠乳后的复合板材在适当地退火工艺下进行退火处理，对于退火温度和退火时间进行了探索，通过扩散和再结晶提高了复合板材的界面结合强度以及综合力学性能ARB6镁锂合金复合板材的抗拉强度、延伸率分别达到190MPa、21 %以上。
【附图说明】
[0032]图1为实施例1中α/β镁锂合金复合板材显微组织照片。
[0033]图2(a)-图2(b)为实施例1中α/β镁锂合金复合板材400 °C30min退火处理显微组织照片，其中图 2(a)ARBl，图 2(b)ARB6。
[0034]图3为实施例1中α/β镁锂合金复合板材与α-Mg单相和β-Li单相镁锂合金应力-应变曲线对比。
[0035]图4为实施例1中α/β镁锂合金复合板材经过退火处理后界面剪切强度表。
【具体实施方式】
[0036]本发明的目的是通过累积叠乳技术制备一种高强韧性镁锂合金层状复合材料。通过分别对具有α-Mg单相和β-Li单相的两种Mg-Li合金板材进行复合累积叠乳，在适当的乳制工艺下利用a-Mg相和β-Li相之间的塑性变形能力差异实现“搓乳区”的形成，复合板材界面结合效果良好。然后，通过适当工艺的退火处理进一步提高复合板材的界面结合强度、延伸率等力学性能，最终制备出一种高强韧性镁锂合金层状复合材料。
[0037]以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，但是应当理解，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。
[0038]实施例1:
[0039]对于α-Mg单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为L1:5.0%，A1:1.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。对于β-Li单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为:1^:12.0%41:1.0%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。板材初始厚度均为2_。
[0040]α/β镁锂合金复合板材的累积叠乳及退火处理过程:
[0041](a)分别将两种镁锂合金板材裁剪成尺寸相等的两块。首先进行表面清洗，即先用稀盐酸清洗，以去除合金表面大块油污;再用细砂纸打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，进一步去除合金表面油污;最后用无水乙醇冲洗并烘干，其中β-Li单相镁锂合金用稀盐酸清洗时间稍短。然后对清洗后的镁锂合金板材表面用钢刷打磨处理。
[0042](b)将步骤(a)得到的经过表面处理的两块镁锂合金板材四角钻孔并用铆钉进行固定。
[0043 ] (c)将步骤(b)得到的固定好的两块镁锂合金在350 °C下以55 %的压下量进行复合累积叠乳，道次间保温时间为第一道次保温12min，其它道次保温7min。
[0044](d)对于步骤(c)得到的镁锂合金，再按照步骤(a)?(c)重复乳制6次。
[0045](e)将步骤(d)得到的累积叠乳6道次复合板材在400°C退火处理30min。
[0046]通过以上累积叠乳工艺，制得了6道次α/β镁锂合金复合板材，复合板材的显微组织见附图1。经过400°C30min退火处理后，复合板材显微组织中出现大量再结晶晶粒，同时界面处形成一薄层扩散区，为了更清晰地观察界面扩散区的存在，附图2(a)_(b)中分别为ARBl和ARB6板材退火处理后的显微组织照片。同时，退火处理后复合板材界面结合能力增强。图4的附表I列出了镁锂合金复合板材退火前后的界面剪切强度值，未退火处理的复合板材界面剪切强度为17.44MPa，经过400 °C 30min退火处理后，复合板材界面剪切强度得到提升，约20.03MPa。可见，退火处理可以有效提升复合板材的界面结合强度。同时，附图3对比了 α-Mg单相、β-Li单相、ARB6未退火及ARB6退火板材的力学性能，可以看到，经过6道次累积叠乳后，复合板材强度迅速提升，而延伸率也得到良好的保持，屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到137.74MPa、243.63MPa和15.08%。经过400°C30min退火处理后，复合板材强度稍有下降，抗拉强度达到189.34MPa，但塑性显著提升，延伸率由未退火时的15.08 %提高至21.88%，获得了良好的综合力学性能。
[0047]实施例2:
[0048]对于α-Mg单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为L1:4.5%，Al:0.5%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。对于β-Li单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为:1^:11.5%41:0.5%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。板材初始厚度均为2_。
[0049]α/β镁锂合金复合板材的累积叠乳及退火处理过程:
[0050](a)分别将两种镁锂合金板材裁剪成尺寸相等的两块。首先进行表面清洗，即先用稀盐酸清洗，以去除合金表面大块油污;再用细砂纸打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，进一步去除合金表面油污;最后用无水乙醇冲洗并烘干，其中β-Li单相镁锂合金用稀盐酸清洗时间稍短。然后对清洗后的镁锂合金板材表面用钢刷打磨处理。
[0051](b)将步骤(a)得到的经过表面处理的两块镁锂合金板材四角钻孔并用铆钉进行固定。
[0052](c)将步骤(b)得到的固定好的两块镁锂合金在320°C下以60%的压下量进行复合累积叠乳，道次间保温时间为第一道次保温lOmin，其它道次保温5min。
[0053](d)对于步骤(c)得到的镁锂合金，再按照步骤(a)?(c)重复乳制6次。
[0054](e)将步骤(d)得到的累积叠乳6道次复合板材在300°C退火处理60min。
[0055]实施例3
[0056]对于α-Mg单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为L1:5.5%，Al:2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。对于β-Li单相Mg-Li合金，其组成成分和质量百分含量为:1^:15.0%41:1.5%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等杂质总量小于0.03%，余量为Mg。板材初始厚度均为2_。
[0057]α/β镁锂合金复合板材的累积叠乳及退火处理过程:
[0058](a)分别将两种镁锂合金板材裁剪成尺寸相等的两块。首先进行表面清洗，即先用稀盐酸清洗，以去除合金表面大块油污;再用细砂纸打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，进一步去除合金表面油污;最后用无水乙醇冲洗并烘干，其中β-Li单相镁锂合金用稀盐酸清洗时间稍短。然后对清洗后的镁锂合金板材表面用钢刷打磨处理。
[0059](b)将步骤(a)得到的经过表面处理的两块镁锂合金板材四角钻孔并用铆钉进行固定。
[0060](幻将步骤(13)得到的固定好的两块镁锂合金在380°C下以65 %的压下量进行复合累积叠乳，道次间保温时间为第一道次保温15min，其它道次保温lOmin。
[0061](d)对于步骤(c)得到的镁锂合金，再按照步骤(a)?(c)重复乳制6次。
[0062](e)将步骤(d)得到的累积叠乳6道次复合板材在300°C退火处理80min。
【主权项】
1.一种高强韧性镁锂合金层状复合材料，其特征是由α-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材经累积叠乳及退火处理所得到的镁锂合金层状复合材料。2.根据权利要求1所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料，其特征是:所述α-Mg单相Mg-Li合金板材的质量百分含量为L1:4.5%?5.5%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si杂质总量小于0.03%，余量为1%;所述0-1^单相1%-1^合金板材的质量百分含量为L1:11.5%?15.0% 41:0.5%?2.0%，不可避免的卩6、01、附、]?11、51杂质总量小于0.03%，余量为Mg。3.根据权利要求1或2所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料，其特征是:所述α-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材的初始厚度均为2mm。4.一种高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是: (a)分别将α-Mg单相Mg-Li合金板材和β-Li单相Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块，首先进行表面清洗，然后进行表面打磨处理； (b)将步骤(a)得到的Mg-Li合金板材进行固定； (c)将步骤(b)得到的固定好的Mg-Li合金板材进行复合乳制，乳制条件:温度为300°C?400°C，压下量为55%?65%，保温5min?15min; (d)将步骤(c)得到的Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的两块，叠加固定后进行复合乳制，乳制条件:温度为300°C?400°C，压下量为55%?65%，保温5min?1min; (e)重复步骤(d)5?8道次得到累积叠乳复合板材； (f)将步骤(e)得到的累积叠乳复合板材在热处理炉中进行退火处理，温度为300°C?450°C，时间为15min?90min。5.根据权利要求4所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是:所述α-Mg单相Mg-Li合金板材的质量百分含量为L1:4.5%?5.5%，Al:0.5%?2.0%，不可避免的？^&1、附、111、51杂质总量小于0.03%，余量为1%;所述0-1^单相1%-1^合金板材的质量百分含量为L1:11.5%?15.0%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si杂质总量小于0.03%，余量为Mg。6.根据权利要求5所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是:a-Mg单相Mg-Li合金板材中的Li为5.0%、A1为1.0% ;i3-Li单相Mg-Li合金板材中的Li为12.0 %、Al 为 1.0%。7.根据权利要求4-6任何一项所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是步骤(c)中的乳制条件为:温度为3500C，压下量55%，保温12min ；步骤(d)中的乳制条件为:温度为350°C，压下量55%，保温7min。8.根据权利要求4-6任何一项所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是步骤(c)中的乳制条件为:温度为3500C，压下量55%，保温12min ；步骤(d)中的乳制条件为:温度为350°C，压下量55%，保温7min。9.根据权利要求7所述的高强韧性镁锂合金层状复合材料的制备方法，其特征是步骤(c)中的乳制条件为:温度为350°C，压下量55%，保温12min;步骤(d)中的乳制条件为:温度为350°C，压下量55%，保温7min。
【文档编号】B32B15/01GK106064504SQ201610416293
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月8日 公开号201610416293.0, CN 106064504 A, CN 106064504A, CN 201610416293, CN-A-106064504, CN106064504 A, CN106064504A, CN201610416293, CN201610416293.0
【发明人】巫瑞智, 王天资, 侯乐干, 张密林
【申请人】哈尔滨工程大学