本發(fā)明涉及高強高塑鎂鋰合金領域，特別是涉及一種同時具有超低密度、高強度、高塑性和可室溫塑性成型的新型超輕高強高塑鎂鋰合金及其制備方法。

背景技術：

鎂與鋰(密度為0.534g/cm³)進行合金化后，形成的將具有密度低、比強度和比剛度高等優(yōu)點，可有效克服鎂合金因密排六方結構引起塑性差的缺點，使的鎂鋰合金可作為航空航天和汽車等高新技術領域中一種潛在的候選新型輕質(zhì)金屬材料。對于Mg-Li合金，當Li含量低于5.5％時，其組織為Li固溶于Mg晶格中形成的α-Mg固溶體。當Li含量高于5.5wt.％，其主要相為hcp結構的α固溶體和bcc結構的β-Li相，而當Li含量高于11.5wt.％時，合金將完全由β相組成。其中，雙相組織(α-Mg+β-Li)對于合金的強度和超塑性是有益的。與傳統(tǒng)工程金屬結構材料相比，鎂鋰合金是目前應用中最輕的。同時，該合金具有強的冷熱變形能力、低的力學各向異性和良好的低溫性能等特性。然而，鎂鋰合金也存在絕對強度低、耐高溫能力差、抗蠕變性能和抗腐蝕性極差等缺點，嚴重制約了合金的應用與進一步的發(fā)展。近年來，文獻(Mater.Lett.(材料快訊)60(2006)3272)和(Scr.Mater.(材料快報)51(2004)1057)主要側重于下列兩種強化方式來提高Mg-Li合金的強度：1)合金化強化；2)大塑性變形強化。另外，文獻(Mater.Lett.(材料快訊)60(2006)1863)報道的復合強化Mg-Li合金的抗拉強度也僅為189MPa?？梢?，利用傳統(tǒng)加工處理手段如合金化、熱處理以及機械大變形，幾乎已使鎂鋰合金的強度達到了極限。近年來，研究表明向鎂合金中引入長周期有序(LPSO)相，可使Mg-2％Y-1％Zn合金的屈服強度提升至610MPa(Mater.Trans.(材料會刊)42(2001)1171)。因此，深入研究微觀組織優(yōu)化和新型強化相在鎂鋰合金中的引入，不僅可大幅度提升合金的力學性能，還會極大推動Mg-Li合金的工程應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型超輕高強高塑鎂鋰合金及其制備方法，解決 鎂合金不能同時具有高強高塑和可室溫成型等問題。

本發(fā)明的技術方案是：

一種新型超輕高強高塑鎂鋰合金，Mg-Li合金是在β-Li相區(qū)的單相鎂鋰合金，按重量百分含量計，其包含的組分元素及其含量為：鋰含量為11.5～30％，鋅含量為2～6％，釔含量為3～10％，鎂含量為平衡余量。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金，優(yōu)選的成分范圍，按重量百分含量計，Mg-Li合金包含的組分元素及其含量為：鋰含量為15～25％；鋅含量為3～5％，釔含量為5～8％，鎂含量為平衡余量。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金，釔和鋅的重量比值Y/Zn為1～2。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金，Mg-Li合金的密度為1.1～1.6g/cm³。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金，Mg-Li合金進行室溫塑性成型。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金，Mg-Li合金的抗拉強度為σ_b＝180～320MPa，屈服強度為σ_0.2＝130～250MPa，延伸率為δ大于40％。

所述的新型超輕高強高塑鎂鋰合金的制備方法，Mg-Li合金的制備包括兩個步驟：首先煉制滿足成分要求的Mg-Zn-Y三元合金，然后將合金和純Li在真空爐中進行重熔，以確保合金元素的分布均勻和減少Li元素在高溫熔煉條件下的燒損。

本發(fā)明的設計思想是：

本發(fā)明通過合理選擇合金元素并控制其含量和配比，使合金的基體為β-Li單相組織。同時，將長周期結構相引入到鎂鋰合金基體中。充分結合了β-Li單相組織具有的低密度及高塑性和長周期結構相的顯著強化作用，制備出了具有超低密度、高強度、高塑性和室溫可成型的超輕Mg-Li-Zn-Y合金。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是：

1、本發(fā)明通過控制合金中的Li含量，極大的使合金密度得到了控制，甚至低于傳統(tǒng)鎂鋰合金的密度，達到了真正意義上的超輕，為結構部件輕量化需求提供了候選材料。

2、本發(fā)明的合金在保留著較高塑形的同時，還具有工程需求的強度,特別適合于輕質(zhì)、高強、高韌的用材需求。

3、本發(fā)明的合金具有室溫成型能力，極大地減少了合金后續(xù)加工成本。

附圖說明

圖1含長程結構相鎂鋰合金(實施例1、實施例2和實施例3)XRD結果圖。

圖2為實施例1和實施例2合金的掃描電鏡(SEM)觀察照片及能譜結果。其中，圖2(a),(b)和(g)為實施例1合金的高低倍SEM觀察照片及合金相的EDS能譜分析結果；圖2(c),(d)和(h)為實施例2合金的高低倍SEM觀察照片及合金相的EDS能譜分析結果。圖2(e)和(f)為實施例3合金的高低倍SEM觀察照片。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明做進一步說明，需要說明的是給出的實施例是用于說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍并不限于以下實施的具體實施例。

實施例1

Ⅰ)、合金組成

按下列配比配置10千克含鋰鎂合金材料，所稱取出的各合金元素的重量分別為：鋰(Li)1.2千克、鋅(Zn)0.2千克、釔(Y)0.4千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-12％Li-2％Zn-4％Y。

Ⅱ)、合金冶煉

合金的冶煉分兩步：

1)在一個10千克容量的坩堝和電阻爐中，充分攪拌，將合金元素Y和Zn熔化，制備出Mg-2％-4％Y合金。

2)將Mg-2％-4％Y合金和純鋰放在真空爐中進行重熔。當合金完全熔化后，在720℃下保溫30分鐘，在真空爐內(nèi)進行澆注。

Ⅲ)、均勻化和變形加工

1)將鑄錠剝皮。

2)將剝皮后的鑄錠用鋁箔嚴密包裹，在450℃下進行4小時的均勻化處理。

3)將均勻化處理后的鑄錠切成15mm厚的板材，在室溫下進行軋制，分5次軋制成厚度為3mm的板材。

Ⅳ)、微觀組織表征

組織觀察的樣品其制備過程如下：在煤油的保護下，對試樣進行機械拋光；利用X-射線衍射分析對合金進行相分析，表明合金的相組成為β-Li和Mg₁₂ZnY(LPSO相)，相應X-射線圖譜見附圖1；高低倍電子掃描顯微鏡觀察照片見附圖2(a)和(b)。能譜分析結果證明，白色顆粒相的是LPSO相見附圖2(g)。

Ⅴ)、力學性能測試

合金的室溫力學拉伸性能樣品的軸線方向平行于材料的軋向，試樣標準長度為25mm，寬度為5mm，厚度為2mm。拉伸試驗的應變速率為1×10^-3s^-1。拉伸試驗在MTS(858.01M)拉扭試驗機上進行。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強度為270MPa，屈服強度為210MPa，延伸率為δ＝56％，密度為1.31g/cm³。

實施例2

Ⅰ)、合金組成

按下列配比配置10千克含鋰鎂合金材料所稱取出的各元素為：鋰(Li)1.4千克、鋅(Zn)0.3千克、釔(Y)0.6千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-14％Li-3％Zn-6％Y。

Ⅱ)、合金冶煉

參考實施例1的冶煉。不同之處在于：兩者的鋅(Zn)和釔(Y)含量不同。

Ⅲ)、均勻化和變形加工

參考實施例1的均勻化和軋制工序。

Ⅳ)、微觀組織表征

參考實施例1的微觀組織表征。合金中主要相為β-Li和Mg₁₂ZnY(LPSO相)，相應X-射線圖譜見附圖1；與實施例1中合金相比，該合金中的LPSO相的數(shù)量有所增加，相應的掃描電晶照片見附圖2(c)和(d)。能譜分析結果見附圖2(h)。

Ⅴ)、力學性能測試

參考實施例1的力學性能測試。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強度為310MPa，屈服強度為250MPa，延伸率為δ＝45％，密度為1.29g/cm³。

實施例3

Ⅰ)、合金組成

按下列配比配置10千克含鋰鎂合金材料所稱取出的各元素為：鋰(Li)1.8千克、鋅(Zn)0.3千克、釔(Y)0.6千克和余量的鎂(Mg)。按重量百分比計，合金成分為Mg-18％Li-3％Zn-6％Y。

Ⅱ)、合金冶煉

參考實施例1的冶煉。不同之處在于：兩者的鋅(Zn)和釔(Y)含量不同。

Ⅲ)、均勻化和變形加工

參考實施例1的均勻化和軋制工序。

Ⅳ)、微觀組織表征

參考實施例1的微觀組織表征。合金中主要相為β-Li和Mg₁₂ZnY(LPSO相)，相應X-射線圖譜見附圖1；與實施例2中合金相比，該合金中的LPSO相的數(shù)量基本沒變，說明LPSO相的形成數(shù)量與加入的Zn和Y的量有關，相應的掃描電晶照片見附圖2(e)和(f)。能譜分析結果與附圖2(g)和(h)一致。

Ⅴ)、力學性能測試

參考實施例1的力學性能測試。該含鋰鎂合金的材料的抗拉強度為290MPa，屈服強度為240MPa，延伸率為δ＝65％，密度為1.19g/cm³。

實施例結果表明，本發(fā)明通過合理選擇合金元素，將長周期結構相引入到高Li含量鎂鋰合金基體中，制備出了具有超低密度、高強度、高塑性的Mg-Li合金。該合金具有較強的室溫成型能力，可冷軋成薄的板材(0.3～5mm)，其加工工藝操作簡單、方便。