專利名稱：一種含鋰鎂合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金材料，特別是指一種具有低密度，高強(qiáng)度、剛度，較好塑性的含鋰鎂合金材料及其制備該含鋰鎂合金材料的方法。
背景技術(shù)：
鋰是最輕的金屬元素，它的密度為0.53g/cm3，僅有鎂的三分之一，在鎂合金中加入鋰，將使其密度降低。
1910年，德國(guó)Masing在研究Li、Na、K與Mg相互作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)Mg和Li發(fā)生有趣的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是超結(jié)構(gòu)。1934～1936年，德、美、英三國(guó)研究者不約而同地研究了鎂鋰合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，測(cè)定了二元相圖，相繼證實(shí)Li含量增加到5.7wt％時(shí)出現(xiàn)hcp-bcc的轉(zhuǎn)變。從1942年起，美國(guó)Battelle研究所開始大規(guī)模研制鎂鋰合金，隨后，美國(guó)陸軍部與其合作，研制出了LA141合金并將其納入航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4386。后來，利用LA141制造了航天飛機(jī)Saturn-V用的鎂鋰合金部件。60年代中期至1990年，前蘇聯(lián)科學(xué)院開始研制鎂鋰合金，開發(fā)出了MA21，MA18等合金，并制出了強(qiáng)度與延性較好、組織穩(wěn)定的鎂鋰合金零件。1983年蘇聯(lián)學(xué)者首先實(shí)現(xiàn)了MA21合金的超塑性。1984年首創(chuàng)了激光快速凝固細(xì)化表層晶粒的新工藝。
自70年代起，德國(guó)學(xué)者研究了鎂鋰相圖及其合金，對(duì)激光快凝新工藝進(jìn)行了研究。日本一些大學(xué)、產(chǎn)業(yè)界充分利用美、蘇等國(guó)學(xué)者奠基性的工作成果，自80年代末開始，集中對(duì)二元Mg-Li、三元Mg-Li-Re合金進(jìn)行研究，在8Li-1Zn系中獲得最大超塑性延伸率δ＝840％，同時(shí)開發(fā)出了36Li-5Zn、36Li-5Al等密度僅為0.95mg/cm3比水還輕的合金。
現(xiàn)在對(duì)Mg-Li合金的研究?jī)H限于α單相合金或α+β雙相合金，很少有關(guān)β單相合金的研究報(bào)道，更無相關(guān)商業(yè)合金的資料。而Mg-Li合金β單相合金存在強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)，將導(dǎo)致Mg-Li合金材料的變形能力，因此需對(duì)Mg-Li合金中含Li量進(jìn)行有效的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種含鋰鎂合金的材料。該鎂合金的材料具有低密度，高強(qiáng)度、剛度，較好塑性，開拓了Mg-Li合金在β相區(qū)的單相合金的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的目的之二是提供一種制備含鋰鎂合金材料的制備方法。該制備方法能夠有效的控制Li含量的添加。
本發(fā)明的一種含鋰鎂合金材料，是Mg-Li合金在β相區(qū)的單相區(qū)的具有四方晶體結(jié)構(gòu)的鎂鋰基合金，其組分及含量為8.0％～15.0％的鋰(Li)、1.0％～6.0％的鋁(Al)、1.0％～4.0％的鋅(Zn)、0.4％～1.5％的鋯(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的鎂(Mg)組成，所有百分?jǐn)?shù)為重量百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。
所述的含鋰鎂合金材料，其抗拉強(qiáng)度為σb＝180～280Mpa，屈服強(qiáng)度為σs＝130～260Mpa，延伸率為δ＝15～68％，密度為1.31～1.60。
本發(fā)明的一種含鋰鎂合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔煉方法熔煉合金；(3)在氣氛保護(hù)環(huán)境下澆成鑄錠；(4)將鑄錠剝皮；(5)將剝皮后的鑄錠進(jìn)行350℃±10℃/24h的均勻化處理；(6)將均勻化處理后的鑄錠再在430℃±10℃/48h作均勻化處理；(7)將處理后的鑄錠在室溫或250℃±5℃的條件下進(jìn)行變形加工成制品。
本發(fā)明含鋰鎂合金的材料的優(yōu)點(diǎn)是(1)開拓了Mg-Li合金在β單相合金的應(yīng)用范圍；(2)具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、較好塑性的特性；(3)加工工藝操作簡(jiǎn)單、方便。


圖1是Mg-Li合金二元相圖。
它反映了Li含量變化引起的合金相變化。隨著Li含量的增加合金從α相區(qū)向β相區(qū)移動(dòng)，室溫情況下，Li含量超過11％則合金進(jìn)入β單相區(qū)。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，如非特指，所有的單位均為重量百分比單位。
本發(fā)明的一種含鋰鎂合金材料，發(fā)明人研究的重點(diǎn)是在β單相區(qū)的具有四方晶體結(jié)構(gòu)的鎂鋰基合金。在提高合金強(qiáng)度而又不過分犧牲其優(yōu)良性能的前提下，研究合金化強(qiáng)化；發(fā)展快速凝固組織細(xì)化的強(qiáng)化合金；研究熔煉工藝與技術(shù)；由于Mg-Li合金具有的超輕，密度比一般鎂合金小15～25％；高比強(qiáng)；具有良好的冷熱變形能力等特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步的開拓Mg-Li合金的應(yīng)用范圍是有必要的。
本發(fā)明的一種含鋰鎂合金材料，是Mg-Li合金在β單相區(qū)的具有四方晶體結(jié)構(gòu)的鎂鋰基合金，其組分及含量為8.0％～15.0％的鋰(Li)、1.0％～6.0％的鋁(Al)、1.0％～4.0％的鋅(Zn)、0.4％～1.5％的鋯(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的鎂(Mg)組成，所有百分?jǐn)?shù)為重量百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。
將上述各組分采用下列的制備方法進(jìn)行制備含鋰鎂合金材料，其步驟有(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔煉方法熔煉合金；(3)在氣氛保護(hù)環(huán)境下澆成鑄錠；(4)將鑄錠剝皮；(5)將剝皮后的鑄錠進(jìn)行350℃±10℃/24h的均勻化處理；(6)將均勻化處理后的鑄錠再在430℃±10℃/48h作均勻化處理；(7)將處理后的鑄錠在室溫或250℃±5℃的條件下進(jìn)行變形加工成制品。
針對(duì)采用上述方法制備得到的含鋰鎂合金材料進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試用金像顯微鏡、MTS材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、萬分之一天平設(shè)備進(jìn)行，得到該含鋰鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度為σb＝180～280Mpa，屈服強(qiáng)度為σs＝130～260Mpa，延伸率為δ＝15～68％，密度為1.31～1.60。
以下將通過具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，實(shí)施例僅用于說明，而不能限制本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍。
實(shí)施例1按下列配比配制100公斤含鋰鎂合金材料需稱取出的各元素為鋰(Li)15公斤、鋁(Al)5公斤、鋅(Zn)1公斤、鋯(Zr)0.80公斤、稀土元素(Re)1.2公斤和余量的鎂(Mg)。
制備方法包括將上述稱取出的各元素在熔煉溫度為680℃條件下熔煉，并在氬氣保護(hù)環(huán)境下澆成鑄錠，將鑄錠用機(jī)床、酸性溶液剝皮后得到清潔表面，并將剝皮后的鑄錠進(jìn)行350℃±10℃/24h的均勻化處理，將均勻化處理后的鑄錠再在430℃±10℃/48h的均勻化處理，均勻化處理好后的鑄錠在室溫或250℃±5℃的條件下經(jīng)鍛造或軋制變形加工成制品。
將制品在250℃的溫度下保溫4小時(shí)，取出。即可達(dá)到一般使用性能要求。用HV-10A型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試了在160℃時(shí)效時(shí)的時(shí)效硬化行為，加載載荷為1公斤，硬度最大值為125，并做拉伸性能實(shí)驗(yàn)，利用X射線和TEM對(duì)該狀態(tài)的含鋰鎂合金材料進(jìn)行了相組成分析。該含鋰鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度為280Mpa，屈服強(qiáng)度為230Mpa，延伸率為15％，密度為1.40。
實(shí)施例2按下列配比配制100公斤含鋰鎂合金材料需稱取出的各元素為鋰(Li)10公斤、鋁(Al)4.5公斤、鋅(Zn)1公斤、鋯(Zr)0.80公斤、稀土元素(Re)1.2公斤和余量的鎂(Mg)。
制備方法包括將上述稱取出的各元素在熔煉溫度為720℃條件下熔煉，并在SF6的混合氣體保護(hù)環(huán)境下澆成鑄錠，將鑄錠用機(jī)床、酸性溶液剝皮后得到清潔表面，并將剝皮后的鑄錠進(jìn)行350℃±10℃/24h的均勻化處理，將均勻化處理后的鑄錠再在430℃±10℃/48h的均勻化處理，均勻化處理好后的鑄錠在室溫或250℃±5℃的條件下經(jīng)鍛造或軋制變形加工成制品。
將制品在250℃的溫度下保溫4小時(shí)，取出。即可達(dá)到一般使用性能要求。用HV-10A型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試了在160℃時(shí)效時(shí)的時(shí)效硬化行為，加載載荷為1公斤，硬度最大值為110，并做拉伸性能實(shí)驗(yàn)，利用X射線和TEM對(duì)該狀態(tài)的含鋰鎂合金材料進(jìn)行了相組成分析。該含鋰鎂合金材料的抗拉強(qiáng)度為240Mpa，屈服強(qiáng)度為190Mpa，延伸率為22％，密度為1.45。
本發(fā)明的含鋰鎂合金材料與AZ31變形鎂合金相比，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下，比強(qiáng)度提高了7～20％。
權(quán)利要求
1.一種含鋰鎂合金材料，其特征是Mg-Li合金在β單相區(qū)的具有四方晶體結(jié)構(gòu)的鎂鋰基合金，其組分及含量為8.0％～15.0％的鋰(Li)、1.0％～6.0％的鋁(Al)、1.0％～4.0％的鋅(Zn)、0.4％～1.5％的鋯(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的鎂(Mg)組成，所有百分?jǐn)?shù)為重量百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋰鎂合金材料，其特征在于抗拉強(qiáng)度為σb＝180～280Mpa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋰鎂合金材料，其特征在于屈服強(qiáng)度為σs＝130～260Mpa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋰鎂合金材料，其特征在于延伸率為δ＝15～68％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋰鎂合金材料，其特征在于密度為1.31～1.60。
6.一種含鋰鎂合金材料的制備方法，其特征在于(1)按配比秤取出各合金元素；(2)采用熔煉方法熔煉合金；(3)在氣氛保護(hù)環(huán)境下澆成鑄錠；(4)將鑄錠剝皮；(5)將剝皮后的鑄錠進(jìn)行350℃±10℃/24h的均勻化處理；(6)將均勻化處理后的鑄錠再在430℃±10℃/48h作均勻化處理；(7)將處理后的鑄錠在室溫或250℃±5℃的條件下進(jìn)行變形加工成制品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的含鋰鎂合金材料的制備方法，其特征在于熔煉合金的熔煉溫度為680℃～720℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的含鋰鎂合金材料的制備方法，其特征在于采用的氣氛保護(hù)為惰性氣氛或者含SF6的混合保護(hù)氣氛。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的含鋰鎂合金材料的制備方法，其特征在于采用的氣氛保護(hù)為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含鋰鎂合金材料及其制備方法，該含鋰鎂合金材料是Mg－Li合金在β相區(qū)的單相合金，其組分及含量為8.0％～15.0％的鋰(Li)、1.0％～6.0％的鋁(Al)、1.0％～4.0％的鋅(Zn)、0.4％～1.5％的鋯(Zr)、1.2％～5.5％的稀土(Re)和余量的鎂(Mg)組成。本發(fā)明的材料抗拉強(qiáng)度為σ
文檔編號(hào)C22C1/02GK1605650SQ20041009618
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者周鐵濤, 劉培英, 李煥喜, 胡成宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)