[发明专利]一种可快速时效强化的高强高韧镁锂合金及其制备方法

说明书

一种可快速时效强化的高强高韧镁锂合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。在Mg‑Gd合金中添加0.1wt％～3wt％的Li元素，合金基体包含α‑Mg相，在α‑Mg基体内存在大量密集且离散分布的纳米析出相。在200℃时效条件下，合金峰值时效时间小于或等于12h。峰值时效时，合金屈服强度达到302MPa，抗拉强度达到343MPa，延伸率达到17.5％。上述镁锂合金的制备工艺包括：在熔盐和惰性气氛的保护下浇铸，经固溶处理，挤压成型，时效热处理后得到镁锂合金。与现有技术相比，通过简单地控制Li元素含量就可以显著增强合金时效硬化反应，显著提高镁锂合金力学性能，同时缩短峰值硬化时间。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种可快速时效强化的高强高韧镁锂合金及其制备方法。

背景技术

镁锂合金是迄今为止最轻的金属结构材料，通常其密度小于1.70g/cm³，仅为铝合金的1/2,是传统镁合金的3/4。此外，镁锂合金还具有其他优点，如比强度高、比刚度高、减震性好、电磁屏蔽性和抗辐射能力强等，在航空航天工业等工业领域中拥有巨大的应用潜力。

目前，镁锂合金的现实应用与潜力之间存在较大差距，主要原因是现有镁锂合金的绝对强度普遍较低、易时效软化、力学稳定性差等劣势严重限制了其广泛的应用。导致镁锂合金力学性能较差的原因主要是镁锂合金的基体类型随着锂含量的增多而发生转变。当锂含量小于5.7wt％时，合金基体为单一hcp结构的α-Mg相；当锂含量大于10.3wt％时，合金基体为单一bcc结构的β-Li相；当锂含量为5.7～10.3wt％时，镁锂合金基体由α-Mg相+β-Li相组成。当β-Li相出现在基体中时，由于其bcc的结构具备更多的滑移系，因此提高合金的韧性但降低了强度。此外，由于锂元素的加入降低了α-Mg基体的c/a，且有利于非基面位错滑移，提高合金韧性但降低了强度。为了提高镁锂合金的力学性能，人们展开了大量的研究工作并尝试了各种方法。目前，公认有效的办法是对镁锂合金进行合金化法和形变热处理法。通过合金化方法人们已经开发出Mg-Li-Al系，Mg-Li-Zn系，Mg-Li-Al-Zn系和Mg-Li-Zn-Ca系等一系列镁锂合金。但这些镁锂合金体系的屈服强度一般低于200MPa，仍然不能满足航空航天等工业领域对材料性能不断提高的要求。而且，Al和Zn加入到镁锂合金中会分别形成MgLi₂Al和MgLi₂Zn等亚稳相，在时效过程中，这些亚稳相会转变成稳定的AlLi或者MgLiZn时效软化相，进而发生过时效软化现象，并导致镁锂合金性能的不稳定性。为了解决镁锂合金的这些劣势，近年来，人们开发一些含稀土元素，如Gd和Y等为代表的重稀土元素，的镁锂合金，包括Mg-Li-Al-RE系，Mg-Li-Zn-RE系和Mg-RE-Li系合金。但这些镁锂合金体系的屈服强度仍然没有突破300MPa。众所周知，重稀土元素在镁基体中具有较大固溶度，使稀土镁合金具有较强的时效硬化效果，因此，可以显著提高合金强度。目前，已经开发出的Mg-Gd/Y-Zn，Mg-Gd-Y，Mg-Gd-Y-Zn-Zr等体系的屈服强度普遍超过300MPa且延伸率超过8％。这些稀土镁合金在时效处理过程的峰值时效阶段中会产生大量的，细小的β'和β₁纳米析出相。这些纳米相析出于镁基体的棱柱面上，可以有效阻碍基面位错滑移，从而通过析出强化机制显著地提高合金的强度。然而，这些合金需要较长的时间才能达到峰值时效阶段并获得这些纳米析出相。因此，如果说在镁锂合金中应用重稀土元素是一种开发高性能镁锂合金的潜在方法，那么这些稀土镁锂合金是否有时效硬化反应？如果有时效硬化反应，如何使合金迅速地达到峰值时效阶段，如何缩短峰值时效时间仍然是稀土镁锂合金开发中的需要解决的问题。

除了合金化法外，形变热处理法也有利于开发高性能镁锂合金。目前，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，从而同时提高合金强度和韧性。将形变处理方法应用到高性能镁锂合金的研发中，对其力学性能的提高可预见的。然而，由于针对含稀土镁锂合金报道仍然较少，仍然存在许多空白领域值得深入研究，对于形变热处理态的含稀土镁锂合金的时效硬化反应及其力学性能的影响规律仍然存在诸多尚待明确。

发明内容