[发明专利]一种低成本高强高模量铸造镁合金及制备方法

说明书

本发明属于金属材料镁合金领域，公开了一种低成本高强高模量铸造镁合金及制备方法。以该铸造镁合金的总重量计，该铸造镁合金包括：3.0～10.0％Zn、2～10.0％Li、1～6.0％Al、0.01～3.0％Mn、0.01～1.0％Cu、杂质元素Fe0.005％、杂质元素Ni0.002％，其余为Mg。本发明采用Zn、Li、Al、Cu、Mn等无稀土元素，利用双组态高模量‑纳米相强化高强高模量镁合金设计新方法，通过在合金析出的微米级一次高模量第二相析提高合金模量，并通过之后的热处理工艺调控纳米级二次析出强化相，保证合金的强度和韧性，从而达到低成本、高模量和高强韧性的协同控制。

技术领域

本发明属于金属材料镁合金领域，更具体地，涉及一种低成本高强高模量铸造镁合金及制备方法。

背景技术

镁合金的弹性模量通常在40GPa左右，在复杂服役环境下易受力变形引起装备功能失效，因此研发高模量镁合金对于其在承力结构件轻量化应用具有重要意义。近年来，关于高模量镁合金的研究日益受到关注，研究的焦点在于保证镁合金强韧性的同时提高其模量。研究表明，利用高弹性模量的析出相或复合相增强均有利于提高镁合金的模量，因此研发高模量镁合金的关键在于选择高模量且与基体相容性良好的析出相，并通过制备工艺的精细化控制以获得析出相均匀弥散分布。

目前，对于高模量镁合金的研究多集中于稀土镁合金，通过在高强稀土镁合金中进一步添加Si、Li等元素，生成等高模量第二相颗粒提高合金模量。其中，一部分学者对于镁合金模量的研究多集中于机理研究，如：通过第一性原理和Eshelby微观力学模型计算LPSO相对于镁合金弹性模量的影响。一部分学者多致力于开发高强高模量镁合金，目前已经取得一定的研究结果，主要集中在高模量稀土镁合金的研发。但目前稀土高模量镁合金的主要问题在于：一方面成本高，另一方面易引起高熔点稀土第二相沉淀，偏析严重，合金元素成分精确控制困难。

发明内容

本发明的目的是解决现有高模量稀土镁合金成本高、成分控制困难的问题，提出一种低成本高强高模量铸造镁合金及制备方法。本发明的设计思路是：通过在无稀土低成本Mg-Zn-Al-Mn合金中加入Li和Cu元素，在合金内形成双组态(高模量含Li相-纳米相)特征的微观组织，依靠微米级一次高模量含Li第二相析出以提高合金的模量，通过之后的热处理工艺调控纳米级二次析出强化相保证合金的强度和韧性，使得该合金具有较高模量的同时具有较高的室温强韧性。

本发明采用Zn作为第一组分，因为Zn的添加在镁基体中析出MgZn强化相，并通过0.01～1.0％Cu元素的复合添加，使MgZn强化相以纳米的尺度析出，从而保证合金的强度和韧性，因此Zn的含量不能过低，同时为了保证铸造性能，Zn的加入也不能过高，因此选择Zn的加入量为3.0～10.0％；

本发明采用Li作为第二组元，并通过Zn、Al元素的复合添加，在基体中析出AlLi、MgZnLi、β-Li等含Li高模量一次析出相，提高合金的弹性模量；本发明Al元素的作用是与Li形成高模量第二相，同时提高合金的铸造性能，而Mn元素的作用是细化晶粒和提高耐蚀性能。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种低成本高强高模量铸造镁合金，其特征在于，以该铸造镁合金的总重量计，该铸造镁合金包括：3.0～10.0％Zn、2～10.0％Li、1～6.0％Al、0.01～3.0％Mn、0.01～1.0％Cu、杂质元素Fe0.005％、杂质元素Ni0.002％，其余为Mg。

根据本发明，优选地，以该铸造镁合金的总重量计，该铸造镁合金包括：6.0～9.0％Zn、3～8.0％Li、1～5.0％Al、0.5～2.0％Mn、杂质元素Fe0.005％、杂质元素Ni0.002％，其余为Mg。

本发明另一方面提供了所述的低成本高强高模量铸造镁合金的制备方法，所述制备方法包括：将经过烘烤处理的纯Mg、Mg-Li中间合金、Mg-Mn中间合金、纯Zn、纯Al和纯Cu混合并进行真空熔炼处理，得到合金铸锭；将所述合金铸锭依次进行固溶处理、淬火处理和时效处理，得到所述低成本高强高模量铸造镁合金。