一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材及其制备方法与流程

本发明涉及镁锂合金棒材领域，尤其涉及一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材及其制备方法。

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，是一般铝合金密度的1/3-1/2，是普通镁合金密度的1/4-1/3,。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，因而被广泛地应用在航空、航天、军事、通讯、3C电子产品等领域中，被誉为“21世纪绿色工程材料”。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。镁合金中加入锂元素，合金的密度逐渐下降，塑性逐渐增加，但强度逐渐降低。镁锂合金强度低、开发成本高、操作复杂等缺点限制了镁锂合金在国民经济中的应用。因此，制备出高强度超轻镁锂合金并开发出一套简单有效并适用于工业化生产的制备工艺具有非常重要的意义。

在镁中随着Li元素的不断加入，镁锂合金的基体结构也在不断发生变化。当Li含量低于5.7wt.％时，合金基体主要由α-Mg组成，当Li含量为5.7wt.％-10.3wt.％时，合金基体变为α+β双相结构，当Li含量高于10.3wt.％时，合金基体完全转变为β-Li单相结构。镁锂合金常用的合金元素包括Al、Zn等元素。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，所以Al含量的加入要低于6wt.％。Zn元素对镁锂合金也有相似的强化作用，在同等质量下，Zn元素的强化效果没有Al元素明显，但考虑到合金的低密度，所以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。随着Y元素的加入，合金中的Mg与Y会形成Mg24Y5强化相，经过后续热处理，Mg24Y5相逐渐被弥散球化，并且在β-Li相中的固溶度也不断增加，这样大大提高了镁锂合金的强度。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，但是其合金的强度较低，为145-175MPa。这样势必限制了镁锂合金的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材，其原料按重量百分比如下：Li：10.2-13.2％、Al：4.7-5.9％、Zn：1.6-2.4％、Y：0.2-0.7％，余量为Mg及其杂质元素，杂质元素包括Ca、Fe、Cu、Ni，总量小于0.2％，其中Fe≤0.04％，Ca≤0.03％。

本发明还提供了一种权利要求1所述的高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材的制备方法，包括如下步骤：

S1：准备纯镁锭、纯锂带、纯铝锭、纯锌锭和Mg-25％Y中间合金作为原料；

S2：在720℃下待合金全部熔化后，在通入保护气的情况下，通过半连续铸造工艺制备出镁锂合金锭坯；

S3：将镁锂合金铸锭进行机械加工与均匀化热处理；

S4：将均匀化处理后的镁锂合金铸锭进行单道次恒温反向挤压，获得镁锂合金棒材；

S5：将镁锂合金棒材加热至270-290℃保温至少30h完成固溶处理，水冷至常温，然后进行室温抛光处理，获得高强低密度bcc结构镁锂合金棒材。

优选的，所述保护气为氩气与六氟化硫的混合气体，其比例为1：3。

优选的，所述铸造过程中，施加的低频电磁频率为100Hz,强度为41000AT,铸造速度为350mm/min。

优选的，所述恒温挤压温度为200-250℃，挤压速度为1.3-1.8mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过合金元素种类与比例关系的合理匹配，添加了微量Y元素并与基体Mg元素形成了Al2Y强化相来提高合金的强度；

2、本发明采用的是Mg-Y中间合金的方式加入到熔体中进行熔炼，降低了合金成本，有利于工业化生产；

3、本发明采用的是在非真空条件下进行了半连续铸造工艺，一方面降低了实验操作的复杂性，另一方面提高了熔体纯净度与合金收得率，为后来的高强度超轻镁锂合金奠定了基础；

4、本发明的挤压工艺采用的是单道次恒温反向挤压。在反向挤压过程中，挤压筒温度保持恒定，这样既可以降低棒材的宏观与微观缺陷的产生，也提高了棒材的有效挤压长度。通过改变挤压温度与速度，合金的再结晶组织可以进行时时调控，从而大大提高板材的强度与塑性；

5、本发明的镁锂合金通过低温长时间固溶处理，MgAlLi2和AlLi相通过在bcc-Li结构中的固溶行为来大大弥补bcc-Li结构对合金的软化作用，从而大幅度提高合金强度。固溶温度为200℃-320℃，保温时间为20-49h，结果也表明了该镁锂合金的耐热性能也有所提高；

6、本发明通过Zn元素的固溶强化来提高合金的强度；

7、本发明考虑了合金的低密度，对Al、Zn、Y元素的含量进行了精确调控；

8、本发明的制备流程清晰明确、操作简便，有利于工业化生产。所制备的镁锂合金棒材的强度较高，塑形较好。室温下的抗拉强度为250-330MPa，伸长率为5％-15％。

附图说明

图1为本发明镁锂合金的XRD图谱；

图2为本发明镁锂合金挤压态的扫描图片；

图3为本发明镁锂合金退火态的扫描图片；

图4为本发明镁锂合金的力学性能图片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材，其原料按重量百分比如下：镁锂合金的化学成分与重量百分比为：Li：11.5％，Al：5.6％，Zn：1.8％，0.4％Y，不可避免的Ca、Fe、Cu、Ni等杂质元素，总量小于0.2％，其中Fe≤0.04％，Ca≤0.03％。剩余为Mg。

将各原料分别在200±5℃干燥处理30min，然后将纯镁锭置于熔炼炉中升温至720±5℃，待金属镁全部熔化后形成镁熔体，再将干燥后的Mg-Y中间合金、纯铝和纯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720℃并进行搅拌；

在通入保护气条件下，将熔体降温至670℃，用钟罩将铝箔包裹的纯锂带压入熔体中，然后对合金熔体进行搅拌，待坩埚中全部金属熔化后，加入精炼剂继续上下搅拌15s；

通过熔炼炉壁下方的流口将熔体慢慢地浇入到结晶器中，通过半连续铸造工艺获得镁锂合金锭坯；

将镁锂合金铸锭进行机械加工与均匀化热处理，均匀化温度为250±5℃，时间为1h；

将均匀化处理后的镁锂合金铸锭进行单道次恒温反向挤压工艺获得镁锂合金棒材，挤压温度为250℃，挤压速度为1.5mm/s；

将镁锂合金棒材加热至280℃保温48h完成固溶处理，水冷至常温，然后进行室温抛光处理，获得高强低密度bcc结构镁锂合金棒材；

将镁锂合金棒材加热至280℃保温48h完成固溶处理，水冷至常温，然后进行室温抛光处理，最终获得高强度低密度双相结构镁锂合金帮材；合金密度为1.39g/cm3，抗拉强度319.8MPa，伸长率7.8％。合金的XRD图谱如图1所示，合金的挤压态扫描图如图2所示，合金热处理后的扫描图如图3所示，最终合金的挤压态和热处理态的力学性能如图4所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。