[发明专利]一种高强度镁锂合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，尤其涉及一种添加Zn、Gd和Zr元素的高强度镁锂合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

镁合金具有密度低、来源广泛、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。通过向镁合金中添加Li进行合金化，能够进一步降低其密度，并改善镁合金的塑性，因此，镁锂合金在航空航天等对轻量化要求很高的领域有着广泛的潜在应用前景。目前来看，限制镁锂合金应用的一大难题是其强度偏低，难以满足工程应用的要求，因此，开发新型高强度镁锂合金具有非常重要的价值。

镁锂合金中常用的合金元素包括Al、Zn、Si等，但是之前的研究表明，这些元素对于镁锂合金强度的提升幅度非常有限。稀土是镁合金有效的强化元素，研究表明，La、Ce等轻稀土单独添加或混合添加对于镁锂合金强度有一定的提升作用。与轻稀土相比，Gd、Y等重稀土对镁合金的强化作用体现得更为突出，研究者们已开发出一系列以Gd、Y为主要合金元素的高强度镁合金。许道奎等公开了《一种准晶相强化镁锂合金及其制备方法》(公开号CN1948532A)，通过控制Zn和Y的配比，在合金中形成准晶强化相，获得一种具有较高强度的镁锂合金。与Y类似，Gd的加入同样能形成准晶强化相。因此，通过向镁锂合金中同时添加Zn和Gd，形成准晶强化相，有望获得一种新型高强度镁锂合金。Zr是镁合金中常用的细化剂，通过向不含Al的镁锂合金中加入Zr，能够细化合金凝固组织，进一步提高力学性能。

随着镁锂合金中Li含量的变化，镁锂合金的基体相组成会发生变化。当Li含量低于5.7wt.％时，其基体相为Li固溶于Mg中形成的六排密方α-Mg固溶体；当Li含量高于10.3wt.％时，其基体相为Mg固溶于Li中形成的体心立方β-Li固溶体；当Li含量介于两者之间时，形成的是α-Mg固溶体和β-Li固溶体共存的双相结构。基体为α-Mg固溶体时，Li元素添加带来的减重效果不明显，同时对塑性变形能力的改善也不明显；基体为β-Li固溶体时，基体塑性变形能力很强，但强度过低。

有鉴于此，如何获得一种α-Mg固溶体和β-Li固溶体共存的双相结构，使镁锂合金兼具强度和塑性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种高强度的Mg–Li–Zn–Gd–Zr镁锂合金，其通过向镁锂合金中加入一定质量比的Zn和Gd元素，在镁锂合金凝固组织中引入准晶作为强化相，同时加入Zr作为细化剂，而且通过之后相应的塑性变形和热处理工艺，使得该合金拥有较低的密度和优良的力学性能。

为实现上述目的，本发明的一个技术方案是：一种高强度镁锂合金，其中，高强度镁锂合金的组分包括：6～10wt.％Li，2.5～7.5wt.％Zn，1～3wt.％Gd，0.2～0.6wt.％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02wt.％，余量为Mg。

优选的，所述Zn和所述Gd的原子比为6:1。

为实现上述目的，本发明的另一个技术方案是：一种高强度镁锂合金的制备方法，其中，分为熔炼、塑性变形和热处理工艺三个阶段，其中，所述熔炼工艺包括以下步骤：

(1)烘料：分别取纯Mg、纯Zn、Mg–Gd中间合金、Mg–Zr中间合金和Li棒，按照制备合金质量的5～10％称取锂盐熔剂，然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到180℃～250℃以进行烘干；

(2)熔镁：将烘干后的所述纯Mg和所述锂盐熔剂放入坩埚电阻炉中熔化形成镁液；

(3)加Zn和Gd：当所述镁液的温度达到700℃～740℃时，往所述镁液中加入纯Zn，待所述纯Zn熔化后，熔体温度回升至700℃～740℃时加入中间合金Mg–Gd；

(4)加Zr：待所述中间合金Mg–Gd完全熔化后，熔体温度回升至700℃～740℃时加入中间合金Mg–Zr；

(5)加Li：待所述中间合金Mg–Zr完全熔化后，熔体温度降至670℃～680℃，将称量好的Li棒将用不锈钢丝网包覆再将其用不锈钢钟罩压入熔体中，待所述Li棒完全熔解后取出钟罩和不锈钢丝网；

(6)铸造：待所述步骤(5)中的熔体温度回升至700℃～740℃时保温10min，撇去表面浮渣并浇铸镁锂合金锭；

塑性变形工艺：将所述熔炼工艺得到的所述镁锂合金锭在350℃～400℃均匀化处理6～10小时，然后将完成均匀化处理的所述镁锂合金在200℃～250℃进行塑性变形加工；

热处理工艺工序：将所述塑性变形得到的所述镁锂合金在100℃～250℃温度中进行4～60小时的时效处理。