一种高性能稀土镁锂合金板材及其制备方法

1.本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高性能稀土镁锂合金板材及其制备方法。


背景技术：

2.镁锂合金作为轻质金属材料具有密度低，高比强度、比刚度，减震性、电磁屏蔽性和抗辐射能力强，易切削加工、易回收等一系列优点，在航空航天和国防军事工业领域具有及其重要的应用价值和广阔的应用前景。
3.镁锂合金基体会随着锂含量的增加逐渐由具有密排六方结构的α-mg相向具有体心立方结构的β-li相转变。由于镁的密排六方结构导致镁合金塑性和成型能力较差，所以常规镁合金都是通过不同通过冷加工成型，而需要热加工成型。但具有体心立方的镁锂合金具有出色的塑性和成型能力，是唯一具备冷加工成型能力的镁合金材料。虽然，锂元素的加入可以提高镁锂合金的塑性和成性能，但镁锂合金较差的力学性能限制了其广泛的应用。
4.合金化改善镁锂合金力学性能的一种有效方法，目前已得到广泛的应用。对于镁锂合金，常用的合金元素包括al，zn，ca等。然而，开发出mg-li-al系，mg-li-zn系，mg-li-al-zn系，mg-li-al-ca系及mg-li-zn-ca系镁锂合金的力学性能仍然较低。稀土元素，尤其是重稀土元素gd和y，常被用于制备高强韧镁合金，但其在镁锂合金中的应用鲜有报道。将重稀土元素gd和y添加至镁锂合金中不仅可以促进mg-re析出相产生，而且可以促进合金晶粒细化，显然有利于开发高性能镁锂合金。因此，在镁锂合金中应用重稀土元素是不断提高其力学性能的一种潜在方法。
5.镁合金传统的形变热处理方法主要包括挤压、轧制和锻造等。其目的在于细化镁合金组织，弥合铸造缺陷，破碎大尺寸析出相等，从而提高力学性能。相较于热加工成型方法，冷加工成型具有产量大，效率高，经济性强等特点，因此，开发一种利用稀土元素强化的具有出色冷成型加工能力的高性能镁锂合金具有可观的经济价值和科学必要性。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明针对现有镁锂合金强度较差，难以实现大规模应用的问题，提供高性能稀土镁锂合金板材及其制备方法。本发明通过重稀土元素(gd，y等)及zn元素的合金化，并控制li含量，并对上述mg-gd-y-zn-li合金进行热挤压复合冷轧和退火工艺，提高合金强度，从而制备一种高性能镁锂合金板材。
7.本发明的技术方案是：
8.一种高性能镁锂合金板材，其特征在于，镁锂合金成分包括：8wt％～10wt％的gd，2wt％～4wt％的y，0wt％～2wt％且不为0的zn，10wt％～13wt％的li，余量的mg及不可避免的杂质；
9.进一步优选，8wt％～9wt％的gd，2wt％～3wt％的y，0.5wt％～1.5wt％的zn。
10.进一步变形稀土镁锂合金，合金基体β-li组成。
11.上述所述稀土镁锂合金的制备方法，其特征在于，包括：
12.1)变形稀土镁锂合金在氟化锂和氯化锂熔盐覆盖及sf6：co2混合保护气氛下铸造成坯锭，铸造温度为680℃～720℃；如铸造模具为金属型板状模具，此后对其进行切削加工制成圆柱铸造坯锭；如圆柱铸造坯锭尺寸为：直径为35mm，高为34mm。
13.2)固溶处理：将铸造坯锭放在氩气保护下进行固溶处理，固溶处理温度为400～500℃，时间为1～12h，然后置于100℃的沸水中淬火，此后冷却至室温；
14.3)热挤压变形处理：将固溶处理后的铸造坯锭置于挤压机盛锭筒中预热处理，即将铸造坯锭温度升至预定挤压温度待挤压变形处理，预热温度为100～200℃，预热时间为0.1h-1h，将预热好的铸造坯锭进行热挤压变形处理，挤压温度为：100～200℃，挤压速度为1-3mm/s，挤压比为10:1至25:1；
15.4)冷轧复合退火处理(一)：将挤压棒置于双辊轧机上进行多道次冷轧处理，每道次下轧量为5-10％，每四道次进行退火处理，退火温度为330℃，时长为10min，累计总下轧量为50％-95％，最终获得镁锂合金轧板，如得到厚度为0.6mm的镁锂合金轧板。
16.或冷轧复合退火处理(二)：将挤压棒置于双辊轧机上进行多道次冷轧处理，每道次下轧量为5-10％，累计总下轧量为50％-70％；进一步也可以随后对获得的稀土镁锂合金轧板进行退火处理，退火温度为330℃，时长为10min，最终获得镁锂合金轧板，如获得厚度为3.7mm的镁锂合金轧板。
17.本发明的实质性特点为：
18.通过在镁锂合金中加入gd和y重稀土元素，以及zn元素通过控制li元素含量，获得由β-li相的合金基体。通过热挤压工艺对镁锂合金进行开坯处理，获得较细小的再结晶组织，以增加合金冷成型能力，随后对合金进行总下轧量分别为70％和95％的多道次冷轧复合退火工艺，进一步细化晶粒，从而实现提高镁锂合金力学性能的目的。
19.本发明的有益效果为：
20.1.通过冷轧工艺获得高性能镁锂合金，与常规稀土镁合金对比，大大提高生产效率和产能，降低经济成本。
21.2.通过总下轧量为70％或95％的多道次冷轧复合退火工艺有效减小合金晶粒尺寸，从而实现提高镁锂合金力学性能的目的。
22.3.采用本发明方法处理后的mg-gd-y-zn-li合金屈服强度突破190mpa，延伸率突破22％。
23.4.本发明中应用的氩气为实验室常用的惰性保护气体，价格低廉，容易存储和运输、化学性能稳定、无毒无污染，成本低廉。
24.5.本发明中所用的设备简单方便，实验周期短，操作简单，安全，有利于大规模工业化应用。
附图说明
25.图1为本发明实施例4镁锂合金下轧95％后显微组织om图；
26.图2为本发明实施例6镁锂合金下轧70％后显微组织om图；
具体实施方式
27.下面用具体实施方式对本法名的技术方案做进一步说明，以下实施里均在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.实施例1
29.选用成分为mg-8gd-3y-1zn-12li的铸锭，对其进行切削加工制成直径为35mm，高为34mm的圆柱铸造坯锭后(变形稀土镁锂合金在氟化锂和氯化锂熔盐覆盖及sf6：co2混合保护气氛下铸造成坯锭，铸造温度为680℃～720℃，以下同)，进行固溶处理，即将试样放置氩气保护的管式热处理炉中，随炉升温到500℃，保温8h，然后置于100℃沸水中淬火，并冷却至室温。然后将固溶处理后的圆柱铸造坯锭放置加压机盛锭筒中预热8min至挤压温度120℃后，以1mm/s挤压速度和10:1挤压比实施热挤压变形处理，获得直径12mm棒材。对棒材实施冷轧复合退火处理(一)，累计下轧量为50％，获得厚度为6mm的稀土镁锂合金板材，加工成拉伸试片，然后在拉神试验机上将上述拉伸试棒进行拉伸测试(采用gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法)，直至拉断，得到屈服强度141mpa，抗拉强度151mpa，延伸率41.2％。
30.实施例2
31.其步骤同实施例1，不同之处为累计下轧量为80％，获得厚度为2.3mm的稀土镁锂合金板材。其屈服强度为164mpa，抗拉强度为172mpa，延伸率为22.5％。
32.实施例3
33.其步骤同实施例1，不同之处为下轧量为91％，获得厚度为1.1mm的稀土镁锂合金板材。其屈服强度为192mpa，抗拉强度为200mpa，延伸率为22.4％。
34.实施例4
35.其步骤同实施例1，不同之处为下轧量为95％，获得厚度为0.6mm的稀土镁锂合金板材。其屈服强度为188mpa，抗拉强度为192mpa，延伸率为22.6％。
36.实施例5
37.选用成分为mg-8gd-3y-1zn-12li的铸锭，对其进行切削加工制成直径为35mm，高为34mm的圆柱铸造坯锭后(变形稀土镁锂合金在氟化锂和氯化锂熔盐覆盖及sf6：co2混合保护气氛下铸造成坯锭，铸造温度为680℃～720℃，以下同)，进行固溶处理，即将试样放置氩气保护的管式热处理炉中，随炉升温到500℃，保温8h，然后置于100℃沸水中淬火，并冷却至室温。然后将固溶处理后的圆柱铸造坯锭放置加压机盛锭筒中预热8min至挤压温度120℃后，以1mm/s挤压速度和10:1挤压比实施热挤压变形处理，获得直径12mm棒材。对棒材实施冷轧复合退火处理(二)，当累计下轧量为70％时，对板材进行退火处理，退火温度为330℃，时长为10min，获得厚度为3.7mm的稀土镁锂合金板材，加工成拉伸试片，然后在拉神试验机上将上述拉伸试棒进行拉伸测试(采用gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法)，直至拉断，得到屈服强度101mpa，抗拉强度143mpa，延伸率29.5％。
38.实施例6
39.其步骤同实施例5，不同之处为累计下轧量为70％，但不进行最终退火处理，获得厚度为3.7mm的稀土镁锂合金板材。其屈服强度为185mpa，抗拉强度为200mpa，延伸率为23.5％。
40.实施例7
41.其步骤同实施例5，不同之处为累计下轧量为50％，且不进行最终退火处理，获得厚度为6mm的稀土镁锂合金板材。其屈服强度为193mpa，抗拉强度为197mpa，延伸率为16％。
42.综上所述：本发明涉及镁锂合金及其加工技术领域，特别设计一种变形稀土镁锂合金板材轧制工艺，目的是为了提供一种高性能镁合金板材冷轧工艺。该工艺包括如下步骤：按照合金成分及含量配置原料，熔炼，固溶处理及冷轧制复合退火处理。本发明的冷轧稀土镁锂合金技术可用于制备厚度为0.6mm稀土镁锂合金板材，由于制备方法简单，可靠，生产效率高，具有重要的实用价值。本发明制备的mg-gd-y-zn-li合金板材具有优异力学性能，尤其实施例3其同时屈服强度突破190mpa，延伸率突破22％。轧制后合金中晶粒尺寸得到细化且出现一定数量的析出相。晶粒细化和析出相的产生对合金增强增韧具有显著的作用。
43.本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
44.本发明未尽事宜为公知技术。

技术特征：
1.一种高性能镁锂合金板材，其特征在于，镁锂合金成分包括：8wt％～10wt％的gd，2wt％～4wt％的y，0wt％～2wt％且不为0的zn，10wt％～13wt％的li，余量的mg及不可避免的杂质。2.按照权利要求1所述的一种高性能镁锂合金板材，其特征在于，8wt％～9wt％的gd，2wt％～3wt％的y，0.5wt％～1.5wt％的zn。3.权利要求1或2所述的一种高性能镁锂合金板材的制备方法，其特征在于，其特征在于，包括以下不在：1)变形稀土镁锂合金在氟化锂和氯化锂熔盐覆盖及sf6：co2混合保护气氛下铸造成坯锭，铸造温度为680℃～720℃；2)固溶处理：将铸造坯锭放在氩气保护下进行固溶处理，固溶处理温度为400～500℃，时间为1～12h，然后置于100℃的沸水中淬火，此后冷却至室温；3)热挤压变形处理：将固溶处理后的铸造坯锭置于挤压机盛锭筒中预热处理，即将铸造坯锭温度升至预定挤压温度待挤压变形处理，预热温度为100～200℃，预热时间为0.1h-1h，将预热好的铸造坯锭进行热挤压变形处理，挤压温度为：100～200℃，挤压速度为1-3mm/s，挤压比为10:1至25:1；4)冷轧复合退火处理(一)：将挤压棒置于双辊轧机上进行多道次冷轧处理，每道次下轧量为5-10％，每四道次进行退火处理，退火温度为330℃，时长为10min，累计总下轧量为50％-95％，最终获得镁锂合金轧板；或冷轧复合退火处理(二)：将挤压棒置于双辊轧机上进行多道次冷轧处理，每道次下轧量为5-10％，累计总下轧量为50％-70％；或随后对上述累计总下轧量为50％-70％稀土镁锂合金轧板进行退火处理，退火温度为330℃，时长为10min，最终获得镁锂合金轧板。4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，合金基体由β-li相组成。

技术总结
一种高性能稀土镁锂合金板材及其制备方法，属于金属材料技术领域。该工艺包括如下步骤：按照合金成分及含量配置原料，熔炼，固溶处理及冷轧制复合退火处理。本发明的冷轧稀土镁锂合金技术可用于制备厚度为0.6mm稀土镁锂合金板材。本发明制备的Mg-Gd-Y-Zn-Li合金板材具有优异力学性能，其屈服强度突破190MPa，延伸率突破22％。冷轧后合金中晶粒的细化和析出相的产生对合金增强增韧具有显著的作用。与现有技术相比，本发明的稀土镁锂合金板材性能优异，其制备方法简单且生产效率高，具有显著的实用价值。实用价值。


技术研发人员：于子健 石康 杜文博 杜保田 许曦 刘轲 李淑波
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8