[发明专利]一种镁锂合金定向凝固起始液相浓度的预测方法

说明书

本发明公开一种镁锂合金定向凝固起始液相浓度的预测方法，根据反应系统质量守恒定律，将镁锂合金样品棒在静置热稳定时的样品实际浓度C₀、TGZM效应和锂元素的挥发结合，建立完全液体区的熔体浓度与静置热稳定时间的预测模型；根据预测模型得到不同时间静置热稳定后糊状区附近的定向凝固起始液相浓度C；将得到的不同时间静置热稳定后的定向凝固起始液相浓度C作为定向凝固时的实际浓度进行镁锂合金的定性凝固，本发明的预测方法同时考虑静置热稳定过程传热传质和不同情况下的锂元素挥发，预测定向凝固前完全液相区的浓度，对后续定向凝提供固有重要的指导。

技术领域

本发明属于镁锂合金定向凝固技术领域，具体属于一种镁锂合金定向凝固起始液相浓度的预测方法。

背景技术

镁锂合金密度只有1.30-1.65g/cm³，仅为铝合金的1/2，传统镁合金的3/4,是迄今最轻的金属结构材料。作为最轻的结构材料，镁锂合金不仅具有高比刚度、高弹性模量、切削加工性好、塑性好、冲击韧性好、低温韧性好、良好的阻尼性能等的特点，还具有良好的磁屏蔽、防震性能，可以降低宇宙射线对电子仪器设备的干扰能满足航空、航天工业对轻质材料的需求。2017年，《世界有色金属》4卷6期发表文章《最轻的金属结构新材料——镁锂合金》，指出镁锂合金绝对强度的提高是提升其应用范围的关键因素。因此，研究人员对提高镁锂合金的强度进行了大量的研究，目前有三种最为常用的方法：合金化、热处理以及塑性变形。而定向凝固作为一种很好的制备金属的方法，也可以用于提高合金的机械性能。

通常上，镁合金定向凝固主要通过传统Bridgman法定向凝固，其过程原理和特点在2015年科学出版社《航空航天材料定向凝固》中有详细描述。对于镁锂合金，《Materialsand Design》在2017年60卷发表文章“Effects of composition and growth rate on themicrostructure transformation ofβ-rods/lamellae/α-rods in directionallysolidified Mg-Li alloy”，通过Bridgman定向凝固法，将镁锂合金在不同锂含量和抽拉速率下的形貌进行了表征，结果表明，不同锂含量和抽拉速率对镁锂合金微观组织有很大的影响。

通常，静置热稳定作为定向凝固的第一个阶段，它可以为接下来的定向凝固获得均匀的熔体浓度。在静置热稳定过程中，由于外加的温度梯度，在完全液体区和原始铸态区之间形成了一个糊状区。在静置热稳定后，完全液体区的熔体浓度一般被认为等于样品的初始成分。然而，有研究人员发现，热稳定后完全液体区的熔体浓度偏离了初始浓度。进一步研究发现，这种现象与温度梯度区熔化(TGZM)效应有关，它导致糊状区中的液滴在冷端凝固，固相在热端熔化。因此，糊状区中的液滴会看起来像向更高的温度位置迁移。随着热稳定时间的增加，更多的液滴在糊状区迁移到完全液体区，因此，完全液体区的浓度将发生改变。而完全液体区的浓度的改变，将会使得后续定向凝固的浓度偏离原始合金成分，从而影响合金中相的体积分数与分布，进而影响合金的力学性能。而现有技术一般认为后续定向凝固的浓度等于原始合金成分，没有考虑到静置热稳定时的传热传质。因此，对于后续定向凝固的样品，如果不考虑TGZM效应，则合金的力学性能会产生一定的偏差(因为实际的凝固成分与原始成分有偏差)，所以，考虑静置热稳定时的传热传质(TGZM效应)，对于后续定向凝固有重要意义。

此外，锂元素在镁-锂合金中是较容易挥发的。研究表明，锂的损失将导致合金成分的改变，因此，镁锂合金中各相的体积分数将发生变化。从而影响其力学性能。因此，在热稳定过程中，应考虑镁锂合金中锂元素的挥发问题。

从上述关于镁锂合金定向凝固的报道中，可以发现如下问题：(1)传统镁锂合金定向凝固方法在凝固时认为液相浓度与合金初始成分一致，忽略的定向凝固前静置热稳定时的传热传质；(2)一般的定向凝固没有考虑加热时元素的挥发；(3)对元素挥发的具体影响大小没有进行深入的研究。

发明内容