[发明专利]一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法

说明书

本发明公开一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法，属于金属材料镁合金的技术领域。所述低密度高强度高模量的镁锂合金的化学成分按质量百分比计为：Gd：0.5‑5wt.％，Al：0.5‑6wt.％，Y：0.5‑10wt.％，Li：8‑16wt.％，Zr：0‑1wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；其中：Zr元素的含量选择不能为0。所述制备方法包括合金配料、烘料、真空熔炼铸造和热处理。本发明解决了传统Mg‑Al‑Zn、Mg‑Gd‑Y‑Zr、Mg‑Li‑Al镁合金无法实现的模量提升，采用全自动真空熔炼精确控制成分，无环境污染、避免了氧化烧损等问题，制备过程安全可靠，成分工艺性能可重复。

技术领域

本发明属于金属材料镁合金的技术领域，涉及一种低密度高强度高模量的镁锂合金及制备方法。

背景技术

镁合金具有重量轻、比强度高、生物相容性好等特点，而且它也具有可回收重复利用性，是21世纪的绿色工程材料，在航空航天、汽车、武器装甲等方面有着广泛应用前景。然而，由于镁的密排六方结构致使其晶格滑移系数较少，在挤压、轧制、锻造、冲压等工艺过程中表现出较差的塑性。故而，镁锂合金的研究备受关注。

研究发现，LA系列镁锂合金密度在1.35-1.65g/cm³之间，是目前最轻的金属结构材料，例如LA141以14wt.％Li、1wt.％Al为主要合金成分，比普通镁合金质量轻1/4-1/3，比铝合金质量轻1/3-1/2。用镁锂合金替代部分铝合金、钛合金及铍合金，可获得显著的减重效果。镁锂合金除普通镁合金的优点外，还具有良好的延展性、阻尼性能以及电磁屏蔽性等优异性能，应用范围较广。

然而，由于现有大多数镁锂合金中的绝对强度和弹性模量低，抗蠕变性能差和室温过时效和耐腐蚀性差，故而限制了其在高性能工程化方面的应用。

目前，在镁锂合金中，随着Li含量的增加，镁合金的密排六方结构(HCP结构，α单相)晶格轴比(c/a)降低，除基面滑移{0001}112_0外，增加了一

—个棱面滑移系{1010}112_0。同时，晶体结构从HCP结构向体心立方结构(BCC结构，β单相)转变，提高合金的延展性，塑性成型能力。

根据Mg-Li二元相图可知，当锂含量低于5.7wt.％时，合金由α-Mg单相组成；当锂含量介于5.7-10.3wt.％时，合金由α-Mg和β-Li两相组成；当锂含量超过10.3wt.％时，合金由β-Li单相组成。

而BCC结构的β-Li相在Mg-Li合金中存在较多的晶格滑移系，在变形加工过程中不易发生硬化。针对镁锂合金的强化工艺，国内外学者主要通过合金化、热处理及变形加工处理等使镁锂合金获得析出强化、固溶强化、细晶强化等复合强化效果。

合金化是提高金属性能最基本的方法之一。镁锂合金中研究最多的是Al、Zn作为主要的合金化元素的Mg-Li-Al(LA)系和Mg-Li-Zn(LZ)系。但是单纯研究Mg-Al-Li、Mg-Al-Zn等合金体系虽然强度得以提升，仍暴露出力学性能不高、热稳定性差等问题，前述问题仍是镁锂合金进一步发展的掣肘。

为了克服这些问题，研究者在三元合金的基础之上通过添加合金元素来提高力学性能。而添加常规元素，在强化Mg-Li合金的同时，会降低铸锭塑性，容易引起脆性断裂，尤其是存在过时效。

近年来，人们发现添加稀土元素可以弥补常规元素的缺陷，很好地起到固溶强化和析出强化的效果；并且还可以细化晶粒、净化熔体、改善铸锭的力学性能以及耐腐蚀性。