本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鎂合金及其制備方法，尤其涉及一種高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂(Mg)合金具有密度低、來源廣泛、比強度和比剛度高等優(yōu)點，被譽為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。通過向鎂合金中添加鋰(Li)并進(jìn)行合金化，能夠進(jìn)一步降低鎂合金的密度并改善其塑性，因而在對輕量化要求較高的航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，限制鎂鋰合金應(yīng)用的一大難題在于強度偏低，難以滿足工程應(yīng)用的要求。因此，開發(fā)新型高強度鎂鋰合金具有非常重要的價值。
鋁(Al)是鎂鋰合金中常用的合金元素。Al與Li結(jié)合形成強化相后，具有一定的強化效果。但是，之前的研究表明：僅向鎂鋰合金中添加鋁元素后形成的強化相為亞穩(wěn)相，在室溫條件下即會發(fā)生過時效現(xiàn)象，導(dǎo)致其強度明顯下降。稀土元素是鎂鋰合金有效的強化元素，研究表明，稀土元素單獨添加或混合添加對于鎂鋰合金的強度具有一定的提升作用。向鎂-鋰-鋁合金中加入一定量的稀土元素釔(Y)，能夠形成具有高熱穩(wěn)定性的Al2Y相，同時降低亞穩(wěn)相的含量，從而提高合金的強度和熱穩(wěn)定性。與稀土元素相似，鈣(Ca)加入鎂-鋰-鋁合金中會形成具有高熱穩(wěn)定性的Al2Ca相。此外，在鎂合金熔體凝固過程中，Y和Ca會在凝固前沿富集，形成成分過冷；同時，Al2Y相和Al2Ca相均可作為形核粒子存在，促進(jìn)凝固組織細(xì)化。因此，通過向鎂-鋰-鋁合金中同時添加Y和Ca并形成具有高熱穩(wěn)定性的強化相，有望獲得一種新型高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金。
隨著鎂鋰合金中Li含量的變化，鎂鋰合金的基體相組成也會發(fā)生變化。當(dāng)Li含量低于5.7wt％時，其基體相為Li固溶于Mg中形成的密排六方α-Mg固溶體。與普通鎂合金相比，該類合金的密度具有一定程度的降低，塑性也有一定改善。當(dāng)Li含量高于10.3wt％時，其基體相為Mg固溶于Li中形成的體心立方β-Li固溶體，該類合金的減重效果顯著，具有很低的密度和很好的塑性，但強度偏低。當(dāng)Li含量介于兩者之間時，形成的是α-Mg固溶體和β-Li固溶體共存的雙相結(jié)構(gòu)。與普通鎂合金相比，該類合金的密度具有比較明顯的降低，塑性和強度組合也較好。三類合金具有不同的特點，能夠分別滿足不同場合對于鎂鋰合金材料的不同要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金及其制備方法。通過向鎂-鋰-鋁合金中加入一定質(zhì)量的釔元素和鈣元素，在合金凝固組織中引入具有高熱穩(wěn)定性的強化相，同時促進(jìn)凝固組織細(xì)化，而且通過之后相應(yīng)的塑性變形和熱處理工藝，使得該合金擁有較低的密度和優(yōu)良的力學(xué)性能。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金，其包含以重量百分比計的下列組分：4～12wt％的Li，2～6wt％的Al，1～3wt％的Y，0.5～1.5wt％的Ca，余量為Mg以及雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni，并且雜質(zhì)元素的總量小于0.02wt％。
一種高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備方法，其分為熔煉工藝、塑性變形工藝和熱處理工藝三個階段。具體而言，該制備方法包括以下步驟：
1)烘料：按照配方量分別稱取鎂、鋁、鎂-釔中間合金、鎂-鈣中間合金和鋰，并按照目標(biāo)合金總重量的5％～10％稱取鋰鹽熔劑，然后分別將上述原料于180～250℃烘干3小時以上；
2)加料：將烘干后的鎂和鋰鹽熔劑加熱熔化，得到鎂液；將鎂液繼續(xù)加熱至700～740℃并保持溫度恒定，向其中加入鋁；當(dāng)鋁完全熔化后熔體溫度回升至700～740℃時，加入鎂-釔中間合金；當(dāng)鎂-釔中間合金完全熔化后熔體溫度回升至700～740℃時，加入鎂-鈣中間合金；當(dāng)鎂-鈣中間合金完全熔化后熔體溫度下降至670～680℃時，采用不銹鋼鐘罩將預(yù)先采用不銹鋼絲網(wǎng)包覆的鋰壓入熔體中，待鋰完全溶解后取出鐘罩和絲網(wǎng)；
3)鑄造：當(dāng)熔體溫度回升至700～740℃時，保溫10～20分鐘，去除表面浮渣并澆鑄合金錠；
4)塑性變形：將合金錠于350～400℃進(jìn)行均勻化處理6～10小時，然后于200～250℃進(jìn)行塑性變形；
5)熱處理工藝：將經(jīng)過塑性變形的合金于100～250℃進(jìn)行時效處理4～60小時，即可得到高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金。
在上述制備方法中，步驟1)中所述鎂-釔中間合金為Mg-Y25合金，其中釔元素的重量占總重量的25％。
在上述制備方法中，步驟1)中所述鎂-鈣中間合金為Mg-Ca15合金，其中鈣元素的重量占總重量的15％。
在上述制備方法中，步驟1)中所述鋰鹽熔劑為氯化鋰(LiCl)和氟化鋰(LiF)的混合物，優(yōu)選重量比為3:1的混合物。
在上述制備方法中，步驟2)中所述加熱熔化采用坩堝電阻爐來完成。
在上述制備方法中，步驟3)中所述澆鑄采用鋼制模具來完成，優(yōu)選預(yù)先加熱的鋼制模具，更優(yōu)選預(yù)先加熱至180～250℃的鋼制模具。
在上述制備方法中，步驟1)、步驟2)和步驟3)均在六氟化硫(SF6)/二氧化碳(CO2)混合氣體保護條件下進(jìn)行。
在上述制備方法中，步驟4)中所述塑性變形采用擠壓、軋制或鍛造方式進(jìn)行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明具有下列優(yōu)點：
(1)本發(fā)明通過同時添加Y和Ca兩種元素，將具有高熱穩(wěn)定性的強化相引入鎂鋰合金基體中，起到強化作用；
(2)本發(fā)明通過同時添加Y和Ca兩種元素，細(xì)化了鎂鋰合金鑄態(tài)組織，發(fā)揮了細(xì)晶強化的效果，進(jìn)一步提高了鎂鋰合金的力學(xué)性能；
(3)本發(fā)明獲得了能夠滿足不同需求的高強度鎂鋰合金，尤其滿足了對于輕質(zhì)高強材料的需求；
(4)本發(fā)明的加工工藝操作簡單、方便，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施方式
下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。除非另有說明，下列實施例中所使用的儀器、材料、試劑等均可通過常規(guī)商業(yè)手段獲得。
實施例1：高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備。
本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金包含以重量百分比計的下列組分：92.49wt％的Mg，4wt％的Li，2wt％的Al，1wt％的Y，0.5wt％的Ca，總量為0.01wt％的雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni(wt％是指各組分的重量占目標(biāo)合金總重量的百分比，該總重量為Mg、Li、Al和各種中間合金的重量總和)。
該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備方法如下：
熔煉工藝：整個熔煉工藝在SF6/CO2混合氣體保護條件下進(jìn)行。按照配方量分別稱取純Mg、純Al、Mg-Y中間合金(Mg-25wt％Y合金，又稱Mg-Y25合金或Mg-25Y合金，即Y的重量占Mg-25wt％Y合金總重量的25％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Y中間合金中Y的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Y在目標(biāo)合金總重量中占1％)、Mg-Ca中間合金(Mg-15wt％Ca合金，又稱Mg-Ca15合金或Mg-15Ca合金，即Ca的重量占Mg-15wt％Ca合金總重量的15％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Ca中間合金中Ca的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Ca在目標(biāo)合金總重量中占0.5％)和Li棒，并按照目標(biāo)合金總重量的5％稱取鋰鹽熔劑(由重量比為3:1的LiCl和LiF混合而成)，然后分別將上述原料于180℃烘干3小時以上。將烘干后的純Mg和鋰鹽熔劑放入具有SF6/CO2混合氣體保護的坩堝電阻爐中加熱熔化，得到鎂液。繼續(xù)加熱鎂液，當(dāng)鎂液溫度達(dá)到700℃時保持溫度恒定，向鎂液中直接加入純Al。當(dāng)純Al完全熔化后熔體溫度回升至700℃時，加入Mg-Y中間合金。當(dāng)Mg-Y中間合金完全熔化后熔體溫度回升至700℃時，加入Mg-Ca中間合金。當(dāng)Mg-Ca中間合金完全熔化后熔體溫度下降至670℃時，采用不銹鋼鐘罩將預(yù)先采用不銹鋼絲網(wǎng)包覆的Li棒壓入熔體中，待Li棒完全熔化后取出鐘罩和絲網(wǎng)。當(dāng)熔體溫度回升至700℃時，保溫10分鐘，去除表面浮渣并澆鑄合金錠，澆鑄所用的鋼制模具需要預(yù)先加熱至180℃。
塑性變形工藝：將通過熔煉工藝得到的合金錠在350℃條件下進(jìn)行均勻化處理8小時，然后將完成均勻化處理的合金在250℃條件下進(jìn)行擠壓變形。
熱處理工藝：將通過塑性變形工藝得到的合金在150℃條件下進(jìn)行時效處理16小時，即可得到本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金。
經(jīng)檢測，該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金T5態(tài)的室溫力學(xué)性能如下：屈服強度為198MPa，抗拉強度為273MPa，延伸率為13.4％。
實施例2：高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備。
本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金包含以重量百分比計的下列組分：84.985wt％的Mg，8wt％的Li，4wt％的Al，2wt％的Y，1wt％的Ca，總量為0.015wt％的雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni(wt％是指各組分的重量占目標(biāo)合金總重量的百分比，該總重量為Mg、Li、Al和各種中間合金的重量總和)。
該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備方法如下：
熔煉工藝：整個熔煉工藝在SF6/CO2混合氣體保護條件下進(jìn)行。按照配方量分別稱取純Mg、純Al、Mg-Y中間合金(Mg-25wt％Y合金，又稱Mg-Y25合金或Mg-25Y合金，即Y的重量占Mg-25wt％Y合金總重量的25％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Y中間合金中Y的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Y在目標(biāo)合金總重量中占2％)、Mg-Ca中間合金(Mg-15wt％Ca合金，又稱Mg-Ca15合金或Mg-15Ca合金，即Ca的重量占Mg-15wt％Ca合金總重量的15％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Ca中間合金中Ca的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Ca在目標(biāo)合金總重量中占1％)和Li棒，并按照目標(biāo)合金總重量的5％稱取鋰鹽熔劑(由重量比為3:1的LiCl和LiF混合而成)，然后分別將上述原料于180℃烘干3小時以上。將烘干后的純Mg和鋰鹽熔劑放入具有SF6/CO2混合氣體保護的坩堝電阻爐中加熱熔化，得到鎂液。繼續(xù)加熱鎂液，當(dāng)鎂液溫度達(dá)到720℃時保持溫度恒定，向鎂液中直接加入純Al。當(dāng)純Al完全熔化后熔體溫度回升至720℃時，加入Mg-Y中間合金。當(dāng)Mg-Y中間合金完全熔化后熔體溫度回升至720℃時，加入Mg-Ca中間合金。當(dāng)Mg-Ca中間合金完全熔化后熔體溫度下降至670℃時，采用不銹鋼鐘罩將預(yù)先采用不銹鋼絲網(wǎng)包覆的Li棒壓入熔體中，待Li棒完全熔化后取出鐘罩和絲網(wǎng)。當(dāng)熔體溫度回升至720℃時，保溫15分鐘，去除表面浮渣并澆鑄合金錠，澆鑄所用的鋼制模具需要預(yù)先加熱至180℃。
塑性變形工藝：將通過熔煉工藝得到的合金錠在350℃條件下進(jìn)行均勻化處理10小時，然后將完成均勻化處理的合金在250℃條件下進(jìn)行軋制變形。
熱處理工藝：將通過塑性變形工藝得到的合金在150℃條件下進(jìn)行時效處理16小時，即可得到本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金。
經(jīng)檢測，該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金T5態(tài)的室溫力學(xué)性能如下：屈服強度為177MPa，抗拉強度為254MPa，延伸率為18.9％。
實施例3：高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備。
本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金包含以重量百分比計的下列組分：77.492wt％的Mg，12wt％的Li，6wt％的Al，3wt％的Y，1.5wt％的Ca，總量為0.008wt％的雜質(zhì)元素Si、Fe、Cu和Ni(wt％是指各組分的重量占目標(biāo)合金總重量的百分比，該總重量為Mg、Li、Al和各種中間合金的重量總和)。
該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金的制備方法如下：
熔煉工藝：整個熔煉工藝在SF6/CO2混合氣體保護條件下進(jìn)行。按照配方量分別稱取純Mg、純Al、Mg-Y中間合金(Mg-25wt％Y合金，又稱Mg-Y25合金或Mg-25Y合金，即Y的重量占Mg-25wt％Y合金總重量的25％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Y中間合金中Y的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Y在目標(biāo)合金總重量中占3％)、Mg-Ca中間合金(Mg-15wt％Ca合金，又稱Mg-Ca15合金或Mg-15Ca合金，即Ca的重量占Mg-15wt％Ca合金總重量的15％，該中間合金的稱取量可以根據(jù)Mg-Ca中間合金中Ca的重量百分比和目標(biāo)合金的總重量來確定，以便使Ca在目標(biāo)合金總重量中占1.5％)和Li棒，并按照目標(biāo)合金總重量的5％稱取鋰鹽熔劑(由重量比為3:1的LiCl和LiF混合而成)，然后分別將上述原料于250℃烘干3小時以上。將烘干后的純Mg和鋰鹽熔劑放入具有SF6/CO2混合氣體保護的坩堝電阻爐中加熱熔化，得到鎂液。繼續(xù)加熱鎂液，當(dāng)鎂液溫度達(dá)到740℃時保持溫度恒定，向鎂液中直接加入純Al。當(dāng)純Al完全熔化后熔體溫度回升至740℃時，加入Mg-Y中間合金。當(dāng)Mg-Y中間合金完全熔化后熔體溫度回升至740℃時，加入Mg-Ca中間合金。當(dāng)Mg-Ca中間合金完全熔化后熔體溫度下降至680℃時，采用不銹鋼鐘罩將預(yù)先采用不銹鋼絲網(wǎng)包覆的Li棒壓入熔體中，待Li棒完全熔化后取出鐘罩和絲網(wǎng)。當(dāng)熔體溫度回升至740℃時，保溫20分鐘，去除表面浮渣并澆鑄合金錠，澆鑄所用的鋼制模具需要預(yù)先加熱至250℃。
塑性變形工藝：將通過熔煉工藝得到的合金錠在400℃條件下進(jìn)行均勻化處理6小時，然后將完成均勻化處理的合金在200℃條件下進(jìn)行鍛造變形。
熱處理工藝：將通過塑性變形工藝得到的合金在150℃條件下進(jìn)行時效處理16小時，即可得到本實施例的高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金。
經(jīng)檢測，該高強度鎂-鋰-鋁-釔-鈣合金T5態(tài)的室溫力學(xué)性能如下：屈服強度為163MPa，抗拉強度為241MPa，延伸率為16.7％。