本发明涉及一种超轻高强镁锂合金及其制备方法，属于有色金属材料及工艺技术领域，所述的超轻是指镁锂合金的密度不大于1.55g/cm3，高强是指镁锂合金的抗拉强度不小于230mpa。
背景技术：
随着各国航天工业的快速发展，世界范围内对航天飞行器提出了更为迫切的减重需求。镁合金作为最轻的金属结构材料，具有低比重、高比强度和比刚度的优点，已经在航天领域得到了应用。而镁锂合金作为代表着镁合金轻质化发展方向的一个典型合金系，其密度比常规镁合金还低1/4～1/3。然而镁锂二元合金虽然比强度高，但其绝对强度低，抗拉强度通常低于100mpa，且时效强化效果不明显，这极大地限制了镁锂合金的广泛应用。针对这个问题，一些科研人员尝试通过合金化方法，试图通过加入合金元素以提高镁锂合金的强度指标。
但是通过加入合金元素提高镁锂合金强度时，得到的镁锂合金的韧性和塑性差。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种超轻高强镁锂合金及其制备方法，密度低于1.55g/cm3，该镁锂合金不仅具有高强度，还具有高塑性变形能力。
本发明的技术解决方案是：
一种超轻高强镁锂合金，该镁锂合金的成分包括mg元素、li元素、zn元素和y元素，以镁锂合金的总质量为100％计算，各成分的质量百分含量为：li元素的质量百分含量为9％-10％，zn元素的质量百分含量为1％-3％，y元素的质量百分含量为2％-5％，杂质fe元素的质量百分含量＜0.005％，杂质cu元素的质量百分含量＜0.002％，杂质ni元素的质量百分含量＜0.002％；余量为mg元素。
一种超轻高强镁锂合金的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)将原料采用金属坩埚进行熔炼，熔炼过程中使用惰性气体进行保护，熔炼完成后进行搅拌，搅拌完成后进行静置，静置20-30min后进行浇铸得到镁锂合金铸锭；
(2)对步骤(1)获得的镁锂合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为：温度380-435℃，保温6～8h，均匀化处理后将镁锂合金铸锭进行挤压得到超轻高强镁锂合金，挤压参数为：挤压温度180-250℃，挤压速率为5.0mm/s，挤压比为25-35；
所述的步骤(1)中，原料包括工业纯镁锭、工业纯锌锭、工业纯锂锭以及镁钇中间合金锭；原料中元素组成li元素的质量百分含量为9％-10％，zn元素的质量百分含量为1％-3％，y元素的质量百分含量为2％-5％，杂质fe元素的质量百分含量＜0.005％，杂质cu元素的质量百分含量＜0.002％，杂质ni元素的质量百分含量＜0.002％；余量为mg元素；
所述的步骤(1)中，在进行熔炼前，使用酒精或丙酮将各金属锭表面去污擦洗干净，擦洗干净后对原料进行预热，预热温度为380-420℃，以去除各金属锭中的水分；
所述的步骤(1)中，在进行熔炼前，将金属坩埚进行预热烘干，预热烘干温度为380-420℃；
所述的步骤(1)中，将原料采用金属坩埚进行熔炼时的方法为：
第一步，将擦洗并预热后的工业纯镁锭加入到预热后的金属坩埚中，静置8-10min后，升温至720-740℃，搅拌，搅拌时间为4-6min；
第二步，在金属坩埚中加入擦洗预热后的工业纯锌锭，搅拌，搅拌时间为4-6min，搅拌完成后升温至750-770℃；
第三步，在金属坩埚中加入擦洗预热后的镁钇中间合金锭，搅拌，待镁钇中间合金锭完全熔化后，降温至590-610℃；
第四步，使用铁制压罩将工业纯锂锭分批次压入到金属坩埚中，当工业纯锂锭熔化后，取出铁制压罩；
第五步，将金属坩埚进行加热，加热温度为700-720℃，搅拌15-25min，搅拌过程中注意不要破坏熔体表面的熔盐膜，防止熔体被氧化，然后静置8-10min后，浇入水冷铜铸型模具中，得到镁锂合金铸锭。
有益效果
(1)本发明在加入9％～10％的li元素后，获得了富锂β相和富镁α相共存的双相组织，因为β相具有体心立方(bcc)结构，室温滑移系较密排六方(hcp)结构的α相多，所以该镁锂合金较之普通镁合金塑性变形能力更强。y元素的加入可以通过固溶强化和形成细小弥撒的金属间化合物提高合金的综合性能，还可以细化镁锂合金的晶粒，并可通过提高析出相的热稳定性，改善合金在较高温度下的力学性能。zn是镁合金中常见的合金元素，可与mg形成连续固溶体，且zn在mg中的固溶度随着温度降低而减小，因而产生时效强化效果。此外，y元素和zn元素按照适当的比例和含量加入镁锂合金时，可以生成一种新的长周期堆垛有序结构(lpso结构)。lpso结构的存在可以提高镁锂合金的强度。
(2)本发明的超轻高强镁锂合金，室温条件下，抗拉强度：230～300mpa，延伸率≥13％，密度≤1.55g/cm3；
(3)本发明的超轻高强镁锂合金，其密度低于1.55g/cm3，该镁锂合金不仅具有高强度，还具有高塑性变形能力；
(4)本发明为兼顾镁锂合金低密度、高强度和高塑性，综合利用li元素的减重和塑性改善作用，以及稀土元素的多元强化机理，设计合金按重量百分比其组成为：9％～10％的li，1％～3％的zn，2％～5％的y，其余为mg，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％；
(5)本发明分别取工业纯镁、工业纯锌、工业纯锂以及镁钇中间合金在电阻炉中进行熔炼合金，熔铸过程为：首先用酒精或丙酮将各金属锭表面去污擦洗干净，放入电阻炉中预热，预热温度为380-420℃。预热烘干坩埚，加入纯镁，经8-10min后将电阻炉升温到710-740℃，保护气体(高纯氩气)经导管吹入坩埚开口处隔绝空气。待纯镁熔化后测温并搅拌4-6min，然后向坩埚中加入纯锌块，搅拌4-6min后升温至750-770℃，加入镁-钇中间合金，搅拌，待其完全熔化后，将炉温降至590-610℃，取出坩埚，用铁制压罩将高纯锂棒分批压入镁液中(这一过程应快速完成)，等熔化后取出压罩，然后将坩埚放回炉中加热到700-720℃，对熔体进行15-25min的搅拌，搅拌过程中注意不要破坏熔体表面的熔盐膜，防止熔体被氧化。静置8-10min后，在气体保护下扒渣，以保持熔体的洁净，最后浇入水冷铜铸型中，得到镁合金铸锭，使铸态镁合金的重量百分比为：li为9％-10％，zn为1％～3％，y为2％～5％，其余为mg。
镁锂合金性能调控：将得到的铸态镁合金锭在高纯氩气气体保护下，在380℃～435℃条件下进行固溶热处理，然后将该镁合金锭在180℃～250℃条件下进行挤压，得到变形镁合金。
(6)本发明公开的一种超轻高强镁锂合金，其重量百分比合金组成为：9％～10％的li，1％～3％的zn，2％～5％的y，其余为mg，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％。采用高纯氩气保护下的电阻炉熔炼方法制备合金，再将得到的铸态镁合金在气体保护下进行热处理，再将该合金进行挤压，得到变形加工后的镁合金。本发明提供的镁锂合金密度低于1.55g/cm3，该镁锂合金不仅具有高强度，还具有高塑性变形能力，能够一定程度满足航天飞行器的减重需求。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细说明。
本发明的镁锂合金材料，按重量百分比其组成为9％～10％的li，1％～3％的zn，2％～5％的y，其余为mg，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％。
采用氩气气体保护的方法熔铸合金，各组分分别为工业纯镁、工业纯锌、工业纯锂以及镁钇中间合金，其中工业纯镁、工业纯锌和工业纯锂的纯度均≥99.8％。熔铸过程为：首先用酒精或丙酮将各金属锭表面去污擦洗干净，放入电阻炉中预热，预热温度为380-420℃。预热烘干坩埚，加入纯镁，经8-10min后将电阻炉升温到720-740℃，保护气体(高纯氩气)经导管吹入坩埚开口处隔绝空气。待纯镁熔化后测温并搅拌4-6min，然后向坩埚中加入纯锌块，搅拌4-6min后升温至750-770℃，加入镁-钇中间合金，搅拌，待其完全熔化后，将炉温降至590-610℃，取出坩埚，用铁制压罩将高纯锂棒分批压入镁液中(这一过程应快速完成)，等熔化后取出压罩，然后将坩埚放回炉中加热到700-720℃，对熔体进行15-25min的搅拌，搅拌过程中注意不要破坏熔体表面的熔盐膜，防止熔体被氧化。静置8-10min后，在气体保护下扒渣，以保持熔体的洁净，最后浇入水冷铜铸型中，得到镁合金铸锭，使铸态镁合金的重量百分比为：li为9％-10％，zn为1％～3％，y为2％～5％，其余为mg；
将得到的铸态镁锂合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在380℃～435℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在180℃～250℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到变形加工后的镁锂合金。
力学性能测试参照gb/t228.1。
实施例1
本发明的超轻高强镁锂合金，按重量百分比其组成为：li：9.1％，zn：1.2％，y：2.3％，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％，其余为mg。首先用酒精或丙酮将各金属锭表面去污擦洗干净，放入电阻炉中预热，预热温度为400℃。预热烘干坩埚，加入纯镁，经10min后将电阻炉升温到730℃，保护气体(高纯氩气)经导管吹入坩埚开口处隔绝空气。待纯镁熔化后测温并搅拌5min，然后向坩埚中加入纯锌块，搅拌5min后升温至760℃，加入镁-钇中间合金，搅拌，待其完全熔化后，将炉温降至600℃，取出坩埚，用铁制压罩将高纯锂棒分批压入镁液中(这一过程应快速完成)，等熔化后取出压罩，然后将坩埚放回炉中加热到约710℃，对熔体进行约20min的搅拌，搅拌过程中注意不要破坏熔体表面的熔盐膜，防止熔体被氧化。静置10min后，在气体保护下扒渣，以保持熔体的洁净，最后浇入水冷铜铸型模具中，得到镁合金铸锭。将得到的铸态镁锂合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在380℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在180℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到镁锂合金。
拉伸性能试验在万能试验机上进行，参照gb/t228.1；
所得到的镁锂合金在室温条件下，抗拉强度：231mpa，延伸率：42％，密度：1.40g/cm3。
实施例2
本发明的超轻高强镁锂合金，按重量百分比其组成为：li：9.1％，zn：1.9％，y：2.0％，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％，其余为mg。熔铸获得铸态镁合金条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在380℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在180℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到变形加工后的镁锂合金。拉伸性能试验在万能试验机上进行，参照gb/t228.1；
所得到的镁合金在室温条件下，抗拉强度：238mpa，延伸率：35％，密度：1.42g/cm3。
实施例3
本发明的超轻高强镁锂合金，按重量百分比其组成为：li：9.3％，zn：2.7％，y：4.8％，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％，其余为mg。熔铸获得铸态镁合金条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在435℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在250℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到变形加工后的镁锂合金。拉伸性能试验在万能试验机上进行，参照gb/t228.1；
所得到的镁锂合金在室温条件下，抗拉强度：307mpa，延伸率：13％，密度：1.55g/cm3。
实施例4
本发明的超轻高强镁锂合金，按重量百分比其组成为：li：9.2％，zn：1.8％，y：4.7％，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％，其余为mg。熔铸获得铸态镁合金条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在420℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在230℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到变形加工后的镁锂合金。拉伸性能试验在万能试验机上进行，参照gb/t228.1；
所得到的镁锂合金在室温条件下，抗拉强度：281mpa，延伸率：22％，密度：1.53g/cm3。
实施例5
本发明的超轻高强镁锂合金，按重量百分比其组成为：li：9.0％，zn：2.0％，y：3.2％，控制杂质元素fe＜0.005％，cu＜0.002％，ni＜0.002％，其余为mg。熔铸获得铸态镁合金条件同实施例1。所得到的铸态镁合金锭在高纯氩气气体保护条件下，在400℃条件下进行均匀化处理，然后将镁锂合金锭在210℃、挤压速率为5.0mm/s、挤压比为30的条件下进行挤压，得到变形加工后的镁锂合金。拉伸性能试验在万能试验机上进行，参照gb/t228.1；
所得到的镁锂合金在室温条件下，抗拉强度：264mpa，延伸率：28％，密度：1.49g/cm3。