一种铒强化镁锂合金及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种镁锂合金，本发明也涉及一种镁锂合金的制备方法。

背景技术：

镁合金具有卓越的综合性能，因此作为重要的轻质合金材料广泛应用于航空航天、汽车、电子等工业领域。但是由于镁合金呈密排六方结构(HCP)，其滑移系较少。导致其室温塑形、强度等力学性能较差，严重限制了镁合金的大规模广泛应用。

为改善镁合金的力学性能，通常向镁合金基体中加入锂、铝、稀土等元素。加入Li元素可以进一步降低合金密度，并提高合金塑性。通过加入稀土元素对镁合金的微观组织结构进行优化从而达到同时提高镁合金强度和塑形性能的目的。因此成为镁合金研究和发展的重要方向。稀土元素铒能够与Li和Mg元素反应形成热稳定性很高的金属间化合物。通过合理的成分设计和热处理、热机械变形工艺能够使这些金属间化合物在晶界出生成，从而达到提高镁合金机械性能的目的。

鉴于铒强化镁锂合金在科研和实际应用方面的巨大潜力，国内外学者也对其成分和制备工艺进行了探索性研究，如采用共沉积法制备铒-镁锂合金的工艺等。但是还没有关于镁锂合金成分设计及热处理和变形工艺对于其力学性能影响的研究的公开报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有优良塑形的铒强化镁锂合金。本发明的目的还在于提供一种具有优良塑形的铒强化镁锂合金的制备方法。

本发明的铒强化镁锂合金是按照如下方法制备得到的化学成分的质量百分比为：Li：5～11％、Er：0.5～10％，余量为镁和不可避免的杂质元素的镁锂合金，所述制备方法为：

(1)按照合金元素设计成分配料后，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇注合金锭；

(2)在200～500℃温度下进行均匀化处理，均匀处理化时间为0.5～10h；

(3)在250℃～400℃温度范围内进行多道次轧制，总压下率20-90％。

本发明的铒强化镁锂合金中还可以含有质量百分比不超过5％的Al。

本发明的铒强化镁锂合金的制备方法为：

(1)按照合金元素质量百分比为：Li：5～11％、Er：0.5～10％、Al：不超过5％，余量为镁和不可避免的杂质元素的比例配料后，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇注合金锭；

(2)在200～500℃温度下进行均匀化处理，均匀处理化时间为0.5～10h；

(3)在250℃～400℃温度范围内进行多道次轧制，总压下率20-90％。

本发明的铒强化镁锂合金的制备方法还可以包括：

1、在轧制之前进行轧前时效处理，轧前时效处理温度为150～500℃，保温时间为4～12h，空冷或浇水冷却至室温。

2、在轧制完成之后进行轧后时效处理，轧后时效处理温度150～300℃，保温时间4～12h，空冷或浇水冷却至室温。

本发明提供了一种具有优良塑形的铒强化镁锂合金及其制备方法。通过优化成分配比，均匀化工艺、轧制工艺和热处理工艺的选择，实现对合金中不同相的含量、尺寸和分布进行有效控制，并通过控制金属间化合物在合金中析出，调整合金的强度和塑形，满足不同实际条件的应用。本发明的铒强化镁锂合金兼具轻质量、高强度和高塑形等特性，满足航空航天、汽车、电子等行业特殊部位构件性能要求。

本发明的铒强化镁锂合金的化学成分为(质量百分比)：Li：5～11％、Al：0～5％、Er：0.5～10％，余量为镁和不可避免的杂质元素。

Li：Li能够有效提高镁合金的塑形。通过调控Li在合金中的质量比能够有效控制镁合金的相组成，当合金中锂质量比为5.3-10.7％时，镁合金以α相和β相双相形式存在。由于β相为体心立方结构(BCC)，其室温可开动的滑移系多，塑性明显优于密排六方结构(HCP)的α相，因此加入适量的锂后镁合金的塑形可以得到明显提高。同时，Li的密度低于Mg，加入Li可以进一步降低镁合金的密度。

Al：Al是最常用的Mg合金增强元素，可以在镁合金中产生时效强化特性。但是Al与Mg反应所产生的Mg17Al12相数量增加会大幅度降低合金的塑性。而且随着Al量的增加过时效出现时间提前，由于过时效产生的性能下降相对增加，会造成镁锂合金材料的强度差、刚性差。

Er：稀土元素Er是重要镁合金增强元素。加入的Er元素可以在合金晶界发生偏析，并与Mg-Li-Al合金中其他元素反应生产MgEr3和Al3Er等金属间化合物，这些金属间化合物能够抑制晶粒长大，起到促使合金晶粒细化从而提高合金材料的力学性能的作用，形成的MgEr3和Al3Er等金属间化合物也可以起到第二相强化的作用。

本发明通过设计和热处理及热轧工艺，制备一种铒强化镁锂合金。控制合金成分和两次时效处理温度、处理时间、冷却工艺，以及热轧温度，热轧道次和变形量参数，通过控制合金元素比例和热处理工艺细化铒强化镁锂合金的晶粒尺寸，提高力学性能。

本发明通过控制Li元素含量，调控双相镁合金的相组成。结合Er不溶于β相的特点，通过调节Er的含量和热处理工艺和轧制工艺实现有效控制控制Er在合金中的分布，从而实现通过控制Er分布控制金属间化合物的分布，进而控制合金晶粒尺寸和形态，达到提高合金力学性能的目的。

传统稀土元素强化均为轧制后进行时效等热处理控制析出向的形态和分布等，通过固溶强化和第二相强化等机制控制力学性能。本发名创新性地提出利用稀土元素铒同Li和Mg形成的金属间化合物强化镁锂合金。铒同Li和Mg形成的金属间化合物在强化合金的过程起到两个作用，第一是在热轧前时效析出，利用含Er金属间化合物钉扎晶界和相界在轧制过程控制合金晶粒尺寸和形态强化提高合金的力学性能。第二，在轧制后，可以通过再一次时效处理，进一步优化含Er金属间化合物的形态、尺寸和分布，通过第二相强化对合金力学性能进一步提高。

附图说明

图1制备工艺流程图。

图2实施例1的金相组织照片。

图3实施例2的金相组织照片。

图4实施例3的金相组织照片。

图5材料力学性能表1。

具体实施方式

本发明的铒强化镁锂合金的制造方法包括如下步骤：

a.熔炼：按照本发明合金元素设计成分及重量百分比进行称重配料后，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇注合金锭。

b.均匀化处理：均匀化温度200～500℃，均匀化时间0.5～10h。

c.轧前时效处理：时效温度150～500℃，保温时间4～12h，空冷或浇水冷却至室温。本步骤为非必要步骤。

d.热轧：热轧温度范围为250℃～400℃，进行多道次轧制，总压下率20-90％。

e.轧后时效处理：时效温度150～300℃，保温时间4～12h，空冷或浇水冷却至室温。本步骤为非必要步骤。

下面举例对本发明做更详细的描述。

实施例1

本实施例是一种铒强化镁锂合金及其制备方法，化学成分按重量百分比为：Li：8.21％，Al：3.12％，Er：2.94％，其余为Mg和不可避免的杂质。均匀化处理温度为240℃，处理时间为2h。轧前时效温度200℃，保温时间4h，空冷至室温。轧制温度为320℃，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％。不经历轧后时效处理。其力学性能获得显著提高，其屈服强度、拉伸强度和延伸率分别比Mg-Li-Al合金提高9.2％、19.2％和20％。金相组织照片见图2，合金材料力学性能见图5的表1。

实施例2

本实施例是一种铒强化镁锂合金及其制备方法，化学成分按重量百分比为：Li：8.21％，Al：3.12％，Er：2.94％，其余为Mg和不可避免的杂质。均匀化处理温度为240℃，处理时间为2h。轧前时效温度200℃，保温时间4h，空冷至室温。轧制温度为320℃，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％。轧后时效处理温度为180℃，处理时间为8h，空冷至室温。其力学性能获得显著提高，其屈服强度、拉伸强度和延伸率分别比Mg-Li-Al合金提高11.3％、23.9％和1.3％。金相组织照片见图3，合金材料力学性能见图5的表1。

实施例3

本实施例是一种铒强化镁锂合金及其制备方法，化学成分按重量百分比为：Li：8.21％，Al：3.12％，Er：2.94％，其余为Mg和不可避免的杂质。均匀化处理温度为240℃，处理时间为2h。轧前时效温度200℃，保温时间4h，空冷至室温。轧制温度为320℃，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％。轧后时效处理温度为180℃，处理时间为8h，淬火水冷至室温。其力学性能获得显著提高，其屈服强度、拉伸强度和延伸率分别比Mg-Li-Al合金提高16.2％、28.7％和39.1％。金相组织照片见图4，合金材料力学性能见图5的表1。