一种提升二元镁锂合金力学性能的方法

1.本发明属于镁锂合金热处理技术领域，涉及一种应用热处理方式提升二元镁锂合金力学性能的方法。


背景技术：

2.锂（li）的密度仅有 0.55g/cm3，是最轻的金属，它与金属镁组成的镁锂合金的密度只有1.30～1.65g/cm3，仅为铝合金的1/2，传统镁合金的3/4，是迄今为止最轻的金属合金材料。镁锂合金除具有一般镁合金密度小、比强度和比刚度高、加工性能优良、抗阻尼减震性能好、热传导能力优良、无污染等优良性能外，最大的特性就是“超轻”，而且它有着比普通镁合金更高的比强度，在高温和常温下都具有良好的变形能力。而且镁锂合金也是一种很好的变形镁合金材料，镁中添加锂元素后，形成的合金中产生了容易变形的bcc相，使得镁合金的变形能力大幅度上升。
3.《materials and design》在2017年60卷发表文章“effects of composition and growth rate on the microstructure transformation of β-rods/lamellae/α-rods in directionally solidified 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。而不同微观组织，必然伴随着力学性能的变化，因此，通过一定的工艺，改变合金微观组织，对镁锂合金的力学性能进行调控，是促进镁锂合金应用的有效方式。
4.而热处理可以减轻镁锂合金的成分偏析，消除了铸锭的非平衡相和铸造应力。《journal of magnesium and alloys》在2013年第1卷发表文章“effect of homogenization treatment on microstructure evolution and the distributions of re and zr elements in various mg
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li
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re
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zr alloys”，对 mg-li-re合金，通过热处理可以改变其微观组织，从而对其力学性能进行调控，因为li、re的熔化温度差异很大，会导致明显的成分偏析。在α基 mg-3li-0.4zr 合金中添加各种稀土(re)元素 (gd、la和nd)，研究热处理对 mg-3li-re-0.4zr 合金中元素的显微组织和分布的影响。结果，与铸态条件下的显微组织相比，12h热化处理以后，合金中有大量析出物的形成，呈现出细小的颗粒状。然而，这些析出物大部分在 24 小时均热处理后溶解。
5.专利《一种高强度、高塑性的双相(α β相)镁锂合金材料及其制备方法》（公告号cn109022985b）公开了通过合理选择合金元素并控制其含量和配比，使合金的基体为双相组织，同时将长周期结构相引入到镁锂合金基体中，制得具有高洁净、耐腐蚀优势的高强度、高塑性的双相(α β相)镁锂合金材料。专利《一种高强度镁锂合金的制备方法》（公告号cn104004949b）提供了一种高强度的 mg
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li
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zn
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gd
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zr镁锂合金，其通过向镁锂合金中加入一定质量比的zn和gd元素，在镁锂合金凝固组织中引入准晶作为强化相，同时加入zr作为细化剂，而且通过之后相应的塑性变形和热处理工艺，使得该合金拥有较低的密度和优良的力学性能。专利《一种镁锂合金及其制备方法和镁锂合金板材的制备方法》（公告号
cn104099502b）提供一种能克服β单相镁锂合金热稳定性差，易产生过时效现象等问题的镁锂合金及其制备方法，以及利用该镁锂合金制备镁锂合金板材的方法。专利《一种增强增韧型镁锂合金的制备方法》（公告号cn105950927b）公开了以镁、锂为合金元素，掺杂铝硅钇中间合金，经真空感应熔炼、轧制、低温回火，制成增强增韧型镁锂合金，以提高镁锂合金的强度、韧性及耐热性能，扩大镁锂合金的使用范围。
6.然而，上述现有技术存在如下问题：1）需要精确控制元素的含量，否则会导致镁锂合金中的相的体积分数发生变化，从而影响强化效果；2）加入了一定的第三（第四组元），其中有些元素为稀土元素，提升了镁锂合金的价格，限制了其应用范围；3）加入一定的第三（第四组元），产生的第二相在室温下容易产生时效软化；4）工艺过程复杂。需要经过变形以及热处理，不利于简便操作。
7.综上所示，针对共晶mg-li合金，希望开发出一种简易可行的制备方法、热处理是一种提升力学性能的可行方式，选择共晶mg-li合金中，在不同热处理温度与热处理时间以后，通过改变合金的微观组织，调控合金的力学性能。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种提升二元镁锂合金力学性能的方法，通过热处理改变二元镁锂合金（共晶mg-li合金）的微观组织，调控合金的力学性能，在热处理过程中，同时考虑了锂元素挥发对合金微观组织及力学性能的影响。
9.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种提升二元镁锂合金力学性能的方法，具体为：将待处理的共晶mg-li合金材料放入箱式炉中并通入惰性气体（氩气）以防止样品被氧化，通入氩气的气压为1000～1200pa，以20～30℃/s的升温速率升温至350
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10℃，保温30～120min，随炉冷却至室温。
10.温度350℃左右进行热处理，合金中析出相的分部比较均匀，且颗粒状析出相尺寸比较小，更能提升合金的力学性能。
11.通过热处理对铸态合金进行处理，合金的微观组织会发生变化，从而提高合金的性能。现有技术中一般用挤压、轧制等塑性变形的方式或者以添加合金化元素来提升二元镁锂合金的强度。而本发明通过简单的热处理，通过合金微观组织的调控，使得合金中出现颗粒状的析出相，并且热处理60min时，出现了比较好的球化相，提升了镁锂合金的力学性能，相比于现有技术中通过塑性变形或添加合金化元素的方法，本发明提升方法简单易行，并且可以有效提升镁锂二元合金的力学性能。
12.本发明提升力学性能的方法的原理如下：铸态条件下，mg-li共晶合金为双相合金，即由α-mg和β-li两相构成，如图1。图1中的a图是mg-li共晶合金在铸态下的微观组织图，图1中的b图是合金在铸态下更高放大倍数的微观组织图。
13.将mg-li共晶合金在350℃温度下进行热处理，保温不同时间的mg-li共晶合金的微观组织图，如图2所示。图2中的a图为该合金铸态sem图。从图2可以看出，热处理30min（图2中的b图）和120min（图2中的d图）时，合金中的枝晶出现了交连的情况，而热处理60min（图2中的c图）时，出现了比较好的球化相。同时，也可以明显的看到β-li相中出现了α-mg相颗
粒，热处理30min和120min时α-mg相颗粒比较粗大；而热处理60min，α-mg相颗粒很细小且分布均匀。热处理后，mg-li共晶合金中α-mg相的数量增加了，而且，α-mg相呈枝晶状形貌。说明热处理后，mg-li共晶合金中发生了再结晶，合金的微观组织发生了变化，进而可以改变合金的力学性能。
14.图3是mg-li共晶合金在铸态和在350℃温度下热处理不同时间后的拉伸应力应变曲线图，可以发现，合金的拉伸强度在热处理60min与120min时有一定提高，热处理60min和120min，合金的拉伸强度分别为150mpa与130mpa，相较于铸态（as-cast）时的拉伸强度118mpa分别提高了27.1%与10.1%；而合金的延伸率在热处理120min时有所提升，由铸态时的9.8%提升到了12%；热处理60min时合金的延伸率有了一定的下降，主要是由于热处理时间的增加，锂元素的挥发加剧。热处理60min合金的拉伸强度最高，主要原因是热处理60min时，颗粒状α-mg相的尺寸很小而且分布均匀。热处理120min，合金的延展性和拉伸强度均有提升，其原因则是颗粒状α-mg相的长大与样品中α-mg体积的增加。
15.图4是mg-li共晶合金在铸态和在350℃温度下热处理不同时间后的压缩应力应变曲线图。可以发现，热处理后，合金的压缩性能均有了一定的提升，合金铸态的压缩强度为280mpa，在350℃热处理30min、60min、120min后合金的压缩强度分别增加到了321mpa、450mpa、431mpa。可以发现，随着热处理时间的增加，合金的压缩强度先增大，在60min时的压缩强度达到了最大值，然后再减小。热处理后，合金压缩强度提升，主要与合金中相的体积分数与合金中相的分布有关。
16.热处理对镁锂合金的微观组织与力学性能有着重要的影响，在350℃热处理30min、60min、120min以后，合金的力学性能得到了一定的提升。热处理后，合金力学性能的变化主要取决于合金中两相的体积分数以及热处理以后颗粒状α-mg析出相的尺寸与分布。其中，在热处理350℃，60min时对合金力学性能的提升比较明显。主要就是因为合金在此条件下热处理以后，合金的微观中球化相最多，有助于合金力学性能的提高，此外。合金中析出相的数量、种类、形态、分布决定着合金的力学性能，350℃热处理60min，合金中析出相尺寸较小，有利于合金力学性能的提升，而且，合金拉伸性能的提高，还与锂元素的挥发加剧有关，由于热处理温度较高，随着热处理时间的增加，β-li相体积分数减少，α-mg体积增加，而α-mg相强度较高，因此，随着α-mg体积的增加，合金的强度也会增加，这是影响合金力学性能的又一个原因。而在合金热处理以后，合金的拉伸强度和压缩强度均达到了一定的提升，因此，热处理以后的镁锂合金可以更好的应用于需要轻质结构材料的地方，如汽车结构件，航空航天领域，电子产品等。
17.综上，本发明提升镁锂二元合金力学性能的方法通过热处理，使得合金的相的形态与分布发生了变化，从而提高了其力学性能。此热处理方式不仅可以用于提升二元镁锂合金的力学性能，同时，也可以为其它双相镁锂合金的热处理提供理论基础。
18.热处理30min后的合金拉伸性能提升较小，但压缩强度有了一定的提升，可以用于在电子产品领域，比如计算机的外壳材料等。
19.热处理60min后合金的拉伸强度与压缩强度均有了大幅度的提升，可以用于汽车的生产制造，一部分传统的钢和铝的结构零件有希望被此热处理镁合金零件所取代，比如仪表盘，保护罩等。
20.热处理120min后合金的拉伸强度与压缩强度均有了一定的提升，且拉伸下的延展
性提升明显，未来在航空航天及运输领域大有前景。
21.本发明提升方法具有如下优点：1）操作过程简单，针对二元镁锂合金，可以通过比较简便可行的热处理，来改变合金的微观组织，以此提升合金的力学性能。
22.2）考虑了热处理过程中锂元素的挥发，二元镁锂合金热处理以后会有锂元素的挥发，本发明中考虑了这一因素对于合金力学性能的影响，对于热处理镁锂合金有一定指导意义。
23.3）二元镁锂合金热处理以后球化相的出现与颗粒析出相是镁锂合金力学性能提升的主要原因，这一现象对于提升其它镁锂合金力学性能提供了一种可行的参考。
附图说明
24.图1是共晶mg-7.3li合金铸态下的光镜图。
25.图2是共晶mg-li合金铸态以及350℃温度下热处理30min、热处理60min、热处理120min的sem图。
26.图3是共晶mg-li合金铸态以及350℃温度下热处理30min、热处理60min、热处理120min后的拉伸应力应变曲线图。
27.图4是共晶mg-li合金铸态以及350℃温度下热处理30min、热处理60min、热处理120min后的压缩应力应变曲线图。
具体实施方式
28.实施例1将待处理的共晶mg-li合金放入箱式炉中并通入惰性气体，以20℃/s的升温速率升温至340℃，保温30min，随炉冷却至室温。热处理后的共晶mg-li合金的拉伸性能提升较小，但压缩强度有了一定的提升，可以用于在电子产品领域，比如计算机的外壳材料等。
29.实施例2将待处理的共晶mg-li合金放入箱式炉中并通入惰性气体，以25℃/s的升温速率升温至350℃，保温60min，随炉冷却至室温。热处理后的共晶mg-li合金的拉伸强度与压缩强度均有了大幅度的提升，可以用于汽车的生产制造，一部分传统的钢和铝的结构零件有希望被此热处理镁合金零件所取代，比如仪表盘，保护罩等。
30.实施例3将待处理的共晶mg-li合金放入箱式炉中并通入惰性气体，以30℃/s的升温速率升温至360℃，保温120min，随炉冷却至室温。热处理后的共晶mg-li合金的拉伸强度与压缩强度均有了一定的提升，且拉伸下的延展性提升明显，未来在航空航天及运输领域大有前景。