一种高强超轻两相结构镁锂合金板材及其制备方法与流程

本发明属于冶金材料技术领域，特别设计一种高强超轻两相结构镁锂合金板材及其制备方法。

背景技术：

镁锂合金是目前地球上最轻的合金材料，密度为1.35-1.65g/cm³，约为一般铝合金密度的1/2，普通镁合金密度的3/4。镁锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的抗高能粒子穿透性能、优良的电磁屏蔽性能、良好的焊接性能以及优异的冷成型能力等诸多优点，在航空、航天、军事、通讯、3C电子产品等领域中具有广泛的应用前景。近年来，世界工业化生产对节能减排、降低能耗、保护环境等要求，激发了镁锂合金在未来广泛的发展潜力。目前，我国的航空航天等诸多领域对材料轻量化的迫切需求为镁锂合金的发展与应用提供了更多的机遇与挑战。镁合金中随加入Li（锂）元素，随Li含量增加，合金的密度逐渐下降，塑性逐渐增加，但强度逐渐降低，因此，镁锂合金具有低密度和高塑性特点。但镁锂合金强度低、熔铸制备成本高、耐蚀性差等缺点限制了镁锂合金在国民经济中的应用。因此，高强超轻镁锂合金的研发及其高效制备工艺开发具有非常重要的意义。

一般镁及其合金的晶体结构为hcp（密排六方）结构，但镁锂合金的晶体结构因Li含量不同而变化。在镁锂二元合金中，当Li含量低于5.7wt.%时，合金基体由hcp的α-Mg组成，当Li含量为5.7wt.%-10.3wt.%时，合金基体中出现bcc（体心立方）结构的β相，变为α+β两相结构，当Li含量高于10.3wt.%时，合金基体完全转变为由bcc的β-Li构成的单相结构。但是，在两相区和完全β相区的镁锂二元合金的强度均不超过120MPa，因此一般均采用包括Al、Zn等在内的合金元素进一步合金化来实现强化。研究表明，Al元素对镁锂合金有明显的强化作用，在Al含量低于6wt.%时，强度增加非常明显，但高于6wt.%时，强度走势呈平缓状态。Zn元素对镁锂合金也有相似的强化作用，但考虑到合金的低密度，所以镁锂合金中Zn元素的含量不宜过高。稀土元素也是镁锂合金的强化元素，其中Y元素不仅可以实现固溶强化，还会与Mg形成Mg₂₄Y₅强化相，且该相经热处理可实现弥散强化。在申请号为201110266610.2的专利中，公布了含Y元素的高塑性镁锂合金以及制备方法，虽然保证了合金的高塑性，但是其合金的强度仍然很低，为145-175MPa。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种高强超轻两相结构镁锂合金板材及其制备方法，通过成分设计和熔炼、热处理以及拉伸工艺的调整，获得低密度、良好塑性及高强度的镁锂合金板材。

本发明的高强超轻两相结构镁锂合金板材的成分按质量百分比为Li 5.7-10.0%，Al 2.5-3.5%，Zn 1.2-2.0%，Y 0.1-0.3%，余量为Mg及杂质，密度1.50-1.60g/cm³，抗拉强度≥270MPa。

上述的高强超轻两相结构镁锂合金板材的伸长率≥15%。

上述的高强超轻两相结构镁锂合金板材的基体组织为α-Mg+β-Li两相结构。

本发明的高强超轻两相结构镁锂合金板材的制备方法按以下步骤进行：

1、准备金属镁、金属锂、金属铝、金属锌和Mg-25%Y中间合金作为原料；

2、将各原料分别在150±5℃干燥处理30-120min，然后将金属镁置于坩埚中升温至720±5℃，待金属镁全部熔化后形成镁熔体；

3、将镁熔体置于氩气保护气氛下，将干燥后的Mg-25%Y中间合金、金属铝和金属锌依次置于镁熔体中，并喷洒覆盖剂覆盖镁熔体表面，控制温度在700-720℃并进行搅拌，待坩埚中全部金属熔化后形成一次合金熔体；

4、在氩气保护气氛下，将一次合金熔体降温至670-680℃，用钟罩将铝箔包裹的金属锂压入一次合金熔体中，并喷洒覆盖剂覆盖镁熔体表面，然后对一次合金熔体进行搅拌，待坩埚中全部金属熔化后，加入精炼剂上下搅拌15-30s，形成二次合金熔体；

5、将二次合金熔体静置8-10min，控制二次合金熔体的温度在670-680℃，然后在氩气保护气氛下浇铸，获得镁锂合金铸锭；控制其成分按质量百分比为Li 5.7-10.0%，Al 2.5-3.5%，Zn 1.2-2.0%，Y 0.1-0.3%，余量为Mg及杂质；

6、将镁锂合金铸锭加热至270-280℃保温6-8h，然后水冷至常温，完成均匀化处理；

7、将均匀化处理后的镁锂合金进行铣面加工后形成铸坯，对铸坯进行恒温温轧，温轧温度为150-200℃，总压下量为60-80%，获得温轧镁锂合金板；

8、将温轧镁锂合金板加热至270-280℃保温至少24h完成固溶处理，空冷至常温，然后进行室温拉伸矫平处理，拉伸变形量为2-4%，获得高强超轻两相结构镁锂合金板材。

上述的覆盖剂成分按质量百分比含LiCl 80±1%，LiF 20±1%，粒度0.1-1mm。

上述的精炼剂成分按质量百分比含LiBr 20±1%，LiCl 65±1%，LiF 15±1%，粒度0.1-1mm。

上述方法中，温轧的轧制速度为1.5-2.5mm/s，轧制总道次为10-20道次，采用可逆往复轧制方式。

本发明具有的实质性特点和显著进步为：

以α+β两相镁锂合金为基，通过适量添加Al和Zn以及微量添加Y，结合杂质控制，并主要通过专门的轧制与热处理方法，以及后续拉伸矫平方法，增强MgAlLi₂和AlLi在β相中的强化效果、同时保证了Zn的完全固溶强化和Al₂Y强化相的弥散强化，最终在保证镁锂合金低密度和较好塑性的前提下实现了高强度；

采用惰性气体与专用覆盖剂相结合的保护方法实现镁锂合金在大气环境下的熔炼与铸造，降低了合金制备操作的复杂性，并保证了合金熔体的纯净度，为该镁锂合金大规格坯料制备提供了可能；

镁锂合金多道次大变形量恒温往复温轧技术的特点是：（a）恒温轧制和带温轧制，提高了镁锂合金的塑形变形能力，降低板材缺陷的产生，保证了往复轧制过程的连续性，并可实现对变形过程再结晶行为的有效调控，为板材的高强度与塑性的保持提供了条件；（b）进一步通过轧制速度(辊速)与压下量的合理匹配，使动态再结晶行为在板材上、中、下部均匀地发生，获得了尺寸均匀、细小的等轴晶，从而提高了板材的机械性能并且降低了板材的各向异性，提高了板材二次加工能力；（c）采用多道次可逆往复轧制，在于通过多道次轧制保证大形变储能必须的大变形量，从而为动态再结晶和后续热处理提供恰当的驱动力，同时也为结合热处理实现Al₂Y强化相的进一步细散化提供条件，通过在可逆轧机的往复轧制缩短轧制道次间的热量散失，以保证轧制板坯温度的基本恒定，实现可控的动态再结晶；

镁锂合金的低温长时固溶处理，促进了MgAlLi₂和AlLi相在β基体中的析出，使得较软的β相得到强化，从而大幅度提高该镁锂合金的强度；固溶处理后的镁锂合金板材的室温拉伸矫平处理，不仅保证冷板材的平直度，同时还起到一定的应变强化效果。

附图说明

图1为本发明实施例1中的温轧镁锂合金板固溶处理前后的XRD相分析比较图；图中，上方曲线为固溶处理后，下方曲线为固溶处理前；

图2为本发明实施例1中的温轧镁锂合金板固溶处理前的SEM形貌图；

图3为本发明实施例1中的温轧镁锂合金板固溶处理后的SEM形貌相；

图4为本发明实施例中的压罩式搅拌工具；图中，1、连杆，2、罩板，3、通孔。

具体实施方式

本发明的合金铸锭中，全部杂质元素包括Ca、Fe、Cu、Ni等，总量小于0.1%，其中Fe≤0.05%，Ca≤0.02%。

本发明实施例中采用的坩埚为铁材质。

本发明实施例中浇铸采用水冷铜模。

本发明实施例中采用的金属镁、金属锂、金属铝、金属锌和Mg-25%Y中间合金为市购。

本发明实施例中覆盖剂和精炼剂的原料LiBr、LiCl和LiF为市购。

本发明实施例中覆盖剂成分按质量百分比含LiCl 80±1%，LiF 20±1%，LiCl和LiF的总量为100%，粒度0.1-1mm。

上述的精炼剂成分按质量百分比含LiBr 20±1%，LiCl 65±1%，LiF 15±1%，LiBr，LiCl 和LiF的总量为100%，粒度0.1-1mm。

本发明实施例中覆盖剂和精炼剂的制备方法是将各原料配制完成后，加热熔化并搅拌均匀，再浇铸冷却成片状，最后研磨成粉末密封备用。

本发明实施例中温轧前，对铸坯和轧辊均进行预热，铸坯预热温度即轧制温度为150-200℃，预热时间为30-60min，为实现恒温轧制，轧辊预热温度与轧制温度相同，预热时间为2-3h。

本发明实施例中性能测试采用国标GB/T6397-1986，拉伸速率为1mm/min。

本发明实施例中组织观测采用的设备为LEICA-DMR金相显微镜。

本发明实施例中相分析采用的设备为D/max-rA型转靶衍射仪。

本发明实施例中高强超轻两相结构镁锂合金板材的厚度为1.5-2.5mm。

本发明实施例中的上下搅拌是采用压罩式搅拌工具实现熔体在高度方向上的上下对流，使熔体与精炼熔剂充分接触，之后在静置过程中通过精炼剂沉降以实现净化效果。

本发明实施例中的压罩式搅拌工具结构如图4所示，罩板2上均匀分布有通孔3，罩板2中心与连杆1固定在一起。

实施例1

准备金属镁、金属锂、金属铝、金属锌和Mg-25%Y中间合金作为原料；

将各原料分别在150±5℃干燥处理30min，然后将金属镁置于坩埚中升温至720±5℃，待金属镁全部熔化后形成镁熔体；

将镁熔体置于氩气保护气氛下，将干燥后的Mg-25%Y中间合金、金属铝和金属锌依次置于镁熔体中，并喷洒覆盖剂覆盖镁熔体表面，控制温度在710℃并进行搅拌，待坩埚中全部金属熔化后形成一次合金熔体；

在氩气保护气氛下，将一次合金熔体降温至670℃，用钟罩将铝箔包裹的金属锂压入一次合金熔体中，并喷洒覆盖剂覆盖镁熔体表面，然后对一次合金熔体进行搅拌，待坩埚中全部金属熔化后，加入精炼剂继续上下搅拌15s，形成二次合金熔体；

将二次合金熔体静置8min，控制二次合金熔体的温度在670℃，然后在氩气保护气氛下浇铸，获得镁锂合金铸锭；镁锂合金铸锭成分按质量百分比为Li 5.7%，Al 3.5%，Zn 1.6%，Y 0.2%，余量为Mg及杂质；

将镁锂合金铸锭加热至270℃保温8h，然后水冷至常温，完成均匀化处理；

将均匀化处理后的镁锂合金进行铣面加工后形成铸坯，对铸坯进行恒温温轧，温轧温度为150℃，总压下量为60%，获得温轧镁锂合金板；温轧的轧制速度为2.5mm/s，轧制总道次为10道次，采用可逆往复轧制方式；

将温轧镁锂合金板加热至275℃保温24h完成固溶处理，空冷至常温，然后进行室温拉伸矫平处理，拉伸变形量为4%，获得高强超轻两相结构镁锂合金板材；其中固溶处理前后的XRD相分析结果如图1所示，SEM形貌分别如图2和3所示；获得的高强超轻两相结构镁锂合金板材的基体组织为α-Mg+β-Li两相结构，密度1.60g/cm³，抗拉强度279MPa，伸长率15.9%。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

（1）原料分别在150±5℃干燥处理60min；

（2）喷洒覆盖剂后，控制温度715℃；

（3）一次合金熔体降温至680℃；加入精炼剂上下搅拌20s；

（4）二次合金熔体静置9min，控制温度680℃；镁锂合金铸锭成分按质量百分比为Li 10.0%，Al 3.3%，Zn 2.0%，Y 0.15%，余量为Mg及杂质；

（5）镁锂合金铸锭加热至275℃保温7h；

（6）温轧温度为200℃，总压下量为80%，轧制速度为2.5mm/s，轧制总道次为20道次；

（7）轧镁锂合金板加热至270℃保温28h完成固溶处理；拉伸矫平处理的拉伸变形量为3%；

（8）高强超轻两相结构镁锂合金板材的密度1.50g/cm³，抗拉强度275MPa，伸长率15.3%。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

（1）原料分别在150±5℃干燥处理90min；

（2）喷洒覆盖剂后，控制温度700℃；

（3）一次合金熔体降温至675℃；加入精炼剂上下搅拌25s；

（4）二次合金熔体静置10min，控制温度675℃；镁锂合金铸锭成分按质量百分比为Li 6.4%，Al 2.8%，Zn 1.6%，Y 0.3%，余量为Mg及杂质；

（5）镁锂合金铸锭加热至280℃保温7h；

（6）温轧温度为180℃，总压下量为70%，轧制速度为2mm/s，轧制总道次为15道次；

（7）轧镁锂合金板加热至280℃保温36h完成固溶处理；拉伸矫平处理的拉伸变形量为3%；

（8）高强超轻两相结构镁锂合金板材的密度1.59g/cm³，抗拉强度276MPa，伸长率16.1%。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

（1）原料分别在150±5℃干燥处理120min；

（2）喷洒覆盖剂后，控制温度720℃；

（3）一次合金熔体降温至675℃；加入精炼剂上下搅拌30s；

（4）二次合金熔体静置10min，控制温度675℃；镁锂合金铸锭成分按质量百分比为Li 8.9%，Al 3.1%，Zn 1.8%，Y 0.3%，余量为Mg及杂质；

（5）镁锂合金铸锭加热至280℃保温6h；

（6）温轧温度为160℃，总压下量为75%，轧制速度为2.5mm/s，轧制总道次为18道次；

（7）轧镁锂合金板加热至280℃保温30h完成固溶处理；拉伸矫平处理的拉伸变形量为2%；

（8）高强超轻两相结构镁锂合金板材的密度1.58g/cm³，抗拉强度273MPa，伸长率16.4%。