一种镁-锂-铝-钕合金

摘要

本发明公开了一种镁-锂-铝-钕合金，按质量计由以下组分组成：Li：8.97-9.36％；Al：3.2-3.45％；Nd：0.4-2.75％；不可避免杂质≤0.3％；其余为镁；该镁合金由以下方法制得：首先按配比选取原材料并混合熔炼得合金熔体；然后水冷合金熔体得到铸态镁合金；接着将铸态镁合金升温至250-300℃并保温8-10小时；最后挤压加工得成品。本发明向Mg-Li合金中加入一定量的稀土Nd，熔炼时Nd在固液界面前富集，产生成分过冷，抑制晶粒长大，从而细化晶粒；本发明进一步向合金中加入适量的Al，熔炼过程中Al与Nd形成高熔点、高热稳定性的Al2Nd和Al11Nd3化合物相，该相在热加工过程中钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，进一步细化晶粒。

权利要求

1.一种镁-锂-铝-钕合金，其特征在于，所述镁合金按质量计由以下组分组成：Li：8.97-9.36%；

Al：3.2-3.45%；

Nd：0.4-2.75%；

不可避免杂质≤0.3%；

其余为镁；

所述镁合金由以下方法制得：a、按所述配比选取原材料并混合熔炼、除杂得到合金熔体；

b、水冷步骤a所得合金熔体得到铸态镁合金；

c、将步骤b的铸态镁合金升温至250-300℃并保温8-10小时；

d、250-300℃挤压加工步骤c热处理后的镁合金得成品；

挤压加工过程中挤压桶温度为250-300℃，挤压模具温度为270-320℃，挤压比为

22-28，挤压速度为1-2 m/min。

2.根据权利要求1所述镁-锂-铝-钕合金，其特征在于，该镁合金按质量计由以下组分组成：Li：9.10-9.15%；

Al：3.32-3.41%；

Nd：0.88-1.36%；

不可避免杂质≤0.3%；

其余为镁。

说明书

一种镁-锂-铝-钕合金

技术领域

[0001] 本发明属于镁合金领域，涉及一种新型镁-锂-铝-钕合金。

背景技术

[0002] 镁合金综合性能优异，用途广泛，但是镁合金呈密排六方结构(HCP)，其室温塑形、强度等力学性能较差。

[0003] 为提高镁合金的塑形，通常向镁合金基体中加入锂元素，金属锂的密度为0.534g/3
cm，低于镁，可以进一步降低合金的密度；而且当合金中锂含量在5.3-10.7％(重量比)时，镁合金产生相变，以α-Mg和β-Li双相形式存在。由于β-Li相为体心立方结构(BCC)，其室温可开动的滑移系多，塑性明显优于密排六方结构(HCP)的α-Mg相，因此加入适量的锂后镁合金的塑形可以得到明显提高。

[0004] 然而，Mg-Li合金虽然密度低，塑形较好，但强度等综合力学性能不足，在工业生产及高新技术领域的应用仍然受到限制；因此，需要开发一种新型超轻、高强、高塑，镁锂合金。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁-锂-铝-钕合金。

[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种镁-锂-铝-钕合金，按质量计由以下组分组成：

[0008] Li：8.97-9.36％；

[0009] Al：3.2-3.45％；

[0010] Nd：0.4-2.75％；

[0011] 不可避免杂质≤0.3％；

[0012] 其余为镁。

[0013] 作为本发明镁-锂-铝-钕合金的优选，该镁合金按质量计由以下组分组成：

[0014] Li：9.10-9.15％；

[0015] Al：3.32-3.41％；

[0016] Nd：0.88-1.36％；

[0017] 不可避免杂质≤0.3％；

[0018] 其余为镁。

[0019] 作为本发明镁-锂-铝-钕合金的优选，所述镁合金由以下方法制得：

[0020] a、按所述配比选取原材料并混合熔炼、除杂得到合金熔体；

[0021] b、水冷步骤a所得合金熔体得到铸态镁合金；

[0022] c、将步骤b的铸态镁合金升温至250-300℃并保温8-10小时；

[0023] d、250-300℃挤压加工步骤c热处理后的镁合金得成品。

[0024] 作为本发明镁-锂-铝-钕合金的优选挤压加工过程中挤压桶温度为250-300℃，挤压模具温度为270-320℃，挤压比为20-30，挤压速度为1-2m/min。

[0025] 本发明的有益效果在于：

[0026] 本发明向Mg-Li合金中加入一定量的稀土Nd，熔炼时Nd在固液界面前富集，产生成分过冷，抑制晶粒长大，从而细化晶粒；本发明进一步向合金中加入适量的Al，熔炼过程中Al与Nd形成高熔点、高热稳定性的Al2Nd和Al11Nd3化合物相，该相在热加工过程中钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒得到进一步细化；本发明进一步将Li元素的含量优化为9.10-9.15％，此时Li元素在Mg合金中以α-Mg和β-Li双相形式存在，其中的β-Li相延伸率好，可塑性强，但强度低，而α-Mg相强度比β-Li相高，本发明通过调节Li元素含量，使合金中α-Mg相成为β-Li相的强化相，同时还可以充分利用β-Li相的高塑性；本发明的镁合金熔炼后采用水冷的方式快速冷却，有助于快速形核、可抑制晶粒长大，且避免成份偏析，使得Al2Nd和Al11Nd3化合物相均匀分布在晶界和晶内，增强其位错钉扎效果；本发明进一步优化了挤压加工时的加工温度、挤压速度、挤压比等加工参数，对于获得本发明具有优异性能的镁合金同样至关重要。

附图说明

[0027] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0028] 图1是实施例1、2、3、4、5及对比例1的X-射线衍射图谱；

[0029] 图2是对比例1镁合金铸态组织金相照片；

[0030] 图3是实施例1镁合金铸态组织金相照片；

[0031] 图4是实施例2镁合金铸态组织金相照片；

[0032] 图5是实施例3镁合金铸态组织金相照片；

[0033] 图6是实施例4镁合金铸态组织金相照片；

[0034] 图7是实施例5镁合金铸态组织金相照片；

[0035] 图8是实施例3镁合金铸态微观组织扫描电子显微镜照片；

[0036] 图9是图8中A点的化学元素EDS能谱图；

[0037] 图10是对比例1镁合金挤压态组织金相照片；

[0038] 图11是实施例3镁合金挤压态组织金相照片；

[0039] 图12是实施例3镁合金挤压态拉伸断口扫描形貌照片。

具体实施方式

[0040] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0041] 下述实施例将公开一种镁-锂-铝-钕合金，按质量计由以下组分组成：

[0042] Li：8.97-9.36％；

[0043] Al：3.2-3.45％；

[0044] Nd：0.4-2.75％；

[0045] 不可避免杂质≤0.3％；

[0046] 其余为镁。

[0047] 特别的，该镁合金按质量计由以下组分组成：

[0048] Li：9.10-9.15％；

[0049] Al：3.32-3.41％；

[0050] Nd：0.88-1.36％；

[0051] 不可避免杂质≤0.3％；

[0052] 其余为镁。

[0053] 实施例1：

[0054] 本实施例制备镁-锂-铝-钕合金的方法，包括以下步骤：

[0055] 第一，选取工业纯镁、工业纯锂、工业纯铝、Mg-25％Nd稀土中间合金，调整各种原材料配比，使其与表1实施例1相符；

[0056] 第二，将真空感应炉抽真空并充入氩气保护，用坩埚盛放除工业纯锂外的所有原材料然后置于真空感应炉加热融化并搅拌均匀，最后加入工业纯锂保温使合金完全融化后搅拌除渣；

[0057] 第三，取出盛有镁合金熔体的坩埚水冷冷却；

[0058] 第四，车皮加工所得合金至适合挤压机挤压筒尺寸并同时去除熔炼所得合金表面氧化层；

[0059] 第五，将加工后的镁合金随炉升温至250-300℃，控制升温时间为250-300分钟，然后在此温度保温8-10小时；

[0060] 第六，将热处理后的镁合金在挤压机上挤压成棒材，挤压加工温度(坯料温度)为200-250℃，其中挤压加工参数如表2所示；

[0061] 第七步，风冷冷却上述挤压加工后的镁合金。

[0062] 实施例2：

[0063] 本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中各组分含量与表1中实施例2相同。

[0064] 实施例3：

[0065] 本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中各组分含量与表1中实施例3相同。

[0066] 实施例4：

[0067] 本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中各组分含量与表1中实施例4相同。

[0068] 实施例5：

[0069] 本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中各组分含量与表1中实施例5相同。

[0070] 对比实施例1：

[0071] 本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中各组分含量与表1中对比实施例1相同。

[0072] 对比实施例2：

[0073] 表1各实施例原材料配比

[0074]编号 Mg(％) Li(％) Al(％) Nd(％) 杂质总量(％)
实施例1 86.93 9.12 3.23 0.42 0.3
实施例2 86.35 9.15 3.32 0.88 0.3
实施例3 85.83 9.10 3.41 1.36 0.3
实施例4 85.58 8.97 3.35 1.80 0.3
实施例5 84.22 9.36 3.39 2.73 0.3
对比例1 87.41 9.11 3.18 0 0.3

[0075] 表2各实施例挤压加工参数

[0076]

[0077] 性能测试：

[0078] 下面结合实验数据对实施例1-5及对比例1的制备方法相同、配比不同的镁合金的性能进行分析：

[0079] 1、微观组织表征：

[0080] 1)、取实施例1-5及对比例1的铸态镁合金样品用X-射线衍射进行物相分析；

[0081] 图1为实施例1-5及对比例1的铸态镁合金的X-射线衍射图谱；

[0082] 从图中可以看到，实施例1-5及对比例1的镁合金均含有α-Mg、β-Li相和少量的LiMgAl2三元共晶相，但实施例1-5中还含有Al2Nd和Al3Nd11相，该相具有高熔点及高热稳定性，在热加工过程中可以细化晶粒，提高力学性能。

[0083] 2)、取实施例1-5及对比例1的铸态镁合金，用金相显微镜进行金相分析。

[0084] 图3～7分别是实施例1-5的铸态镁-锂-铝-钕合金的金相照片，图2为对比例1的铸态镁-锂-铝合金的金相照片。

[0085] 从图2可以看出：在铸造过程中，由于非平衡凝固，在枝晶上及枝晶间存在各种偏析，使得铸锭的化学成分和组织不均匀，其中白色条状的α-Mg相尤为突出，严重影响其力学性能。本发明向合金中加入Nd，Nd元素一部分与镁合金中的Al作用，形成金属间化合物，在一定条件下能作为非自发形核核心，起细化铸态晶粒作用；另一部分会溶解于基体并在长大着的晶体固—液界面上进行溶质的平衡分布，即一部Nd元素以原子状态固溶于固相之中，另一部分在固—液界面前沿的液相一侧富集；使其他合金元素在合金中的分配系数发生改变，从而弱化枝晶偏析及成份偏析。

[0086] 添加钕元素后(图3-图7)，镁合金材料铸态晶粒和枝晶组织得到一定细化，白色的α-Mg相明显细化，且基体中伴随有黑色颗粒状的Al-Nd金属间化合物。

[0087] 3)、利用扫描电子显微镜(型号为TESCANVEGAⅡ)对实施例3的镁-锂-铝-钕合金进行微观组织及金属间化合物分析。

[0088] 图8是实施例3的镁-锂-铝-钕合金样品的扫描电子显微镜照片，图9为图8中所标出A点金属间化合物的EDS能谱图。从图8可以看出：合金中点状金属间化合物弥散分布在晶界和晶内。通过扫描电子显微镜EDS能谱图分析，可以得出点状金属间化合物(图8)主要成分元素为Al、Nd，结合图1可以判断其为Al-Nd相。Al-Nd化合物相为高熔点、高热稳定性，其弥散的分布在在晶界和晶内，钉扎晶界和位错，阻碍晶粒的长大，使晶粒得到明显细化，同时该相对合金有一定的第二相强化效果，提高材料的综合力学性能。

[0089] 图10～11分别是对比例1、实施例3的挤压加工后合金样品平行于挤压方向的金相显微镜照片，从中可以看出：随着钕元素的加入，挤压态合金的晶粒得到明显细化，且大小更为均一，原本白色长条连续的α-Mg相添加钕后不再连续分布且有明显的碎化。这主要是因为Al-Nd化合物相熔点及热稳定性高，并且弥散的分布在晶界和晶内，可以有效钉扎晶界和位错，从而在挤压变形过程中阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒细化，提高材料的综合力学性能；

[0090] 2、力学性能测试：

[0091] 1)根据国标GB228-2002的标准，将本发明实施例1-5及对比例1挤压加工后的合金样品加工成标准拉伸试样进行拉伸试验，拉伸样品为圆棒状，试样圆棒的轴线方向与材料的挤压流线方向相同，得出

[0092] 表3各实施例挤压态镁合金棒材室温力学性能

[0093]合金 抗拉强度(MPa) 屈服强度(Mpa) 延伸率(％)
对比例1201.72 180.69 31.79
实施例1217.35 186.47 34.82
实施例2239.45 208.02 27.53
实施例3254.63 215.97 21.21
实施例4233.36 198.58 19.12
实施例5221.27 192.41 17.36

[0094] 表4AZ31与本发明镁合金挤压棒材的室温力学性能对比

[0095]合金 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％)
AZ31 250 200 12
实施例2239.45 208.02 27.53
实施例3254.63 215.97 21.21

[0096] 从表3中可以得出，本发明实施例的镁合金与对比例1没加Nd元素的镁合金相比，抗拉强度、屈服强度有大幅提升，延伸率也有所改善。其中实施例3与对比例1相比，抗拉强度和屈服强度分别提高26.23％和19.53％；从表4可以得出，本发明实施例的镁合金与AZ31合金相比，综合力学性能也有较大提升。实施例2与AZ31合金相比，屈服强度与延伸率有所提高，其中延伸率更是增加了129.42％；实施例3与AZ31合金相比，抗拉强度、屈服强度有所提升，延伸率也得到大幅改善。结合表3和表4可知，本发明合金材料综合力学性能优异，是一种新型高塑性的镁合金材料。

[0097] 图12是实施例3的挤压加工后的镁-锂-铝-钕合金样品断口形貌图，由断口形貌图可以看出：本发明的镁合金材料断口主要有解离面、韧窝、和凸起颗粒组成，说明本发明合金主要以韧性断裂为主，具有良好好的塑韧性。

[0098] 本发明镁-锂-铝-钕合金含有少量的稀土钕，熔炼时钕在固液界面前富集，产生成分过冷，抑制晶粒长大，从而细化晶粒；另外钕与铝形成高熔点、高热稳定性的Al-Nd化合物相，它们弥散分布在晶界和晶内，在热加工过程中钉扎晶界和位错，阻碍动态再结晶晶粒的长大，使晶粒得到进一步细化；晶粒的细化可以显著提高镁合金的综合力学性能。本发明制备方法不需要采用特殊的热变形加工方法，工艺简单，生产成本底。

[0099] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。