一种高强度超轻合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高强度超轻合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：6～18wt%Li，0.5～9wt%Zn，0.2～2wt%Y，0.2～3wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质。该金属材料的制备方法包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理。本发明先对镁锂合金进行高温固溶热处理，使铸态合金中软化第二相固溶到基体中，获得了固溶强化，然后快速降温至指定温度，直接进行塑性变形，避免了传统均匀化处理存在的高温时效软化和长时间降温过程导致的时效软化，最后对塑性变形合金进行短时固溶热处理，消除塑性变形残余应力，并使残留的软化第二相固溶到基体中，进而达到充分固溶强化和塑性加工硬化的综合强化效果。

权利要求

1.一种高强度超轻合金，其特征在于，所述合金各组分的质量百分比为：12wt%Li， 

4.5wt%Zn，1wt%Y，1.5wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质，所述杂质中Fe、Cu、Ni、C总含量小于0.02wt%；

该高强度超轻合金的制备方法，包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理四个阶段；

其中，熔炼工艺步骤为：将合金的各组分配比熔化后升温到710℃，机械搅拌12min，静置保温15min，浇铸，得镁锂合金锭；

高温固溶热处理工艺步骤为：将熔炼工艺步骤得到的镁锂合金锭在390℃条件下固溶5小时，在空气中冷却到350℃；

热塑性变形工艺步骤为：将高温固溶热处理工艺步骤得到的镁锂合金锭在350℃下进行锻造处理；

短时固溶热处理工艺步骤为：将热塑性变形工艺步骤得到的镁锂合金在400℃条件下固溶60分钟。

说明书

一种高强度超轻合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高强度超轻合金及其制备方法，具体为一种高强度镁锂合金的制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

[0002] 镁锂合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，被誉为“超轻合金”，在航空航天、武器装备领域具有广阔的应用前景。目前镁锂合金在国际上，其现实应用与潜力之间存
在巨大差距，主要是因为现有镁锂合金强度偏低，难以满足工程应用的要求，开发新型高强
度镁锂合金具有非常重要的价值。

[0003] 铸态的镁锂合金强度通常较低，需要通过热处理强化或是塑性变形处理进行强化从而提高镁锂合金的综合力学性能。镁锂合金的热处理是在一定温度下进行固溶处理，之
后进行淬火；与普通镁合金不同，镁锂合金存在时效软化现象，无法实现时效强化，一般不
适合进行时效处理。另外，现有的镁锂合金塑性变形工艺通常是在低于固溶温度的一定温
度下进行一定时长的均匀化处理，之后立即取出进行挤压或是轧制、锻造等塑性变形。这种
低于固溶温度的均匀化处理相当于高温时效，会严重抵消后续塑性变形的强度效果，造成
塑性变形态镁锂合金的强度提高幅度有限。因此，如何同时保留镁锂合金的固溶强化和细
晶强化效果是开发高强度镁锂合金急需解决的关键问题之一。

发明内容

[0004] 为解决现有镁锂合金强度不高的问题，本发明提供一种高强度超轻合金及其制备方法。本发明通过改进镁锂合金的热变形工艺和后续热处理工艺，对镁锂合金进行高温固
溶处理后降温至塑性变形温度，直接进行塑性变形加工，然后对塑性变形后的镁锂合金再
进行双级短时固溶处理。使得镁锂合金在保持最大固溶强化效果的同时获得了塑性加工硬
化。与传统的镁锂合金塑性变形工艺相比，本发明在热塑性变形前，先对镁锂合金进行高温
固溶处理，使铸态合金中的软化第二相固溶到基体中，进而得到了固溶强化，然后快速降温
至指定温度，直接进行塑性变形，避免了传统均匀化处理存在的高温时效软化现象和长时
间降温过程导致的时效软化现象，最后对塑性变形合金再进行双级短时固溶处理，可消除
塑性变形残余应力，同时使残留的软化第二相固溶到基体中，进而同时达到充分固溶强化
和塑性加工硬化的综合强化效果，制备出高强度超轻镁锂合金。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现其目的的：

[0006] 本发明提供了一种高强度超轻合金，所述合金各组分的质量百分比为：6～18wt%Li，0.5～9wt%Zn，0.2～2wt%Y，0.2～3wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质。

[0007] 本发明采用Li（锂）为第一组分，Li的加入能够显著降低合金密度，同时改善合金塑性，当Li含量为本发明所述的6～18wt. %时，合金组织包括α‑Mg固溶体和β‑Li固溶体，该
结构能够兼具较好的塑性和强度；本发明采用Zn（锌）为第二组分，Y（钇）为第三组分，通过
合理配比Zn与Y含量可以形成高温稳定W相（Mg3Zn3Y2）；本发明采用Si（硅）为第四组分，Si的
加入能够形成耐热Mg2Si相，进一步提高合金力学性能。

[0008] 本发明通过在镁锂合金中同时添加Zn、Y和Si，引入了高温稳定W相（Mg3Zn3Sm2）和Mg2Si相，同时也改善了镁锂合金的抗过时效现象，经后续高温固溶热处理、热塑性变形、短
时固溶热处理，消除合金中软化第二相，同时保留了固溶强化、第二相强化、细晶强化和加
工硬化的综合强化效果。所述Zn含量过高会导致超过其在镁中的固溶度并导致Zn单质较
多，含量过低会导致W相较少，强化作用不充分；Y含量过高会超过其在镁中的固溶度并导致
合金密度较大，含量过低会导致W相较少，强化作用不充分；Si含量过高会超过其在镁中的
固溶度并导致合金密度较大，含量过低会导致耐热Mg2Si相较少，强化作用不充分。

[0009] 优选地，所述杂质Fe、Cu、Ni、C总含量小于0.02wt%。

[0010] 优选地，所述Zn和Y质量比为1.5～8：1。

[0011] 本发明还提供了一种高强度超轻合金的制备方法，包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理四个阶段；其中，所述熔炼工艺步骤为：将合金的各组分配比熔
化后升温到660～760℃，机械搅拌6～18min，静置保温5～25min，浇铸，得镁锂合金锭；

[0012] 所述高温固溶热处理工艺步骤为：将所述熔炼工艺步骤得到的镁锂合金锭在300～480℃条件下固溶0.5～10小时，在空气中冷却到指定温度；

[0013] 所述热塑性变形工艺步骤为：将所述高温固溶热处理工艺步骤得到的镁锂合金锭在指定温度下进行塑性变形加工；

[0014] 所述短时固溶热处理工艺步骤为：将所述热塑性变形工艺步骤得到的镁锂合金先在350～450℃条件下固溶20～100分钟。

[0015] 优选地，所述塑性变形工艺采用挤压、轧制或锻造的方式进行。

[0016] 优选地，所述空气中冷却到指定温度和塑性变形的指定温度相同，均为250～450℃。

[0017] 本发明在热塑性变形前，先对镁锂合金进行高温固溶热处理，使铸态合金中的软化第二相MgLi2Zn固溶到基体中，进而得到了固溶强化，然后快速降温至指定温度，直接进
行热塑性变形，避免了传统均匀化处理存在的高温时效软化现象和长时间降温过程导致的
时效软化现象，最后对塑性变形合金再进行短时固溶热处理，可消除塑性变形残余应力，同
时使残留的软化第二相MgLi2Zn固溶到基体中，进而同时达到充分固溶强化和塑性加工硬
化的综合强化效果，制备出高强度超轻镁锂合金。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0019] （1）本发明通过同时添加Zn、Y、Si三种元素，通过优化Zn和Y质量比，并经高温固溶热处理，在镁锂合金基体中引入高温稳定W相（Mg3Zn3Sm2）和Mg2Si相，经后续热塑性变形和
短时固溶热处理使晶粒细化，并消除塑性变形残余应力，同时使残留的软化第二相MgLi2Zn
固溶到基体中，进而同时达到充分固溶强化和塑性加工硬化的综合强化效果，制备出高强
度超轻镁锂合金。

[0020] （2）本发明通过将热塑性变形前的均匀化处理替换为高温固溶热处理，使合金在经过塑性变形之前得到了固溶强化，从而避免均匀化处理造成的时效软化及抵消后续塑性
变形的强度效果。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明
的保护范围。

[0022] 实施例1

[0023] 本发明提供了一种高强度超轻合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：6wt%Li，0.5wt%Zn，0.2wt%Y，0.2wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质。所述杂质Fe、Cu、
Ni、C总含量小于0.02wt%。

[0024] 该高强度超轻合金的制备方法，包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理四个阶段；其中，熔炼工艺步骤为：将合金的各组分配比熔化后升温到760℃，机械
搅拌6min，静置保温25min，浇铸，得镁锂合金锭；

[0025] 高温固溶热处理工艺步骤为：将熔炼工艺步骤得到的镁锂合金锭在480℃条件下固溶0.5小时，在空气中冷却到450℃；

[0026] 热塑性变形工艺步骤为：将高温固溶热处理工艺步骤得到的镁锂合金锭在450℃下进行挤压处理；

[0027] 短时固溶热处理工艺步骤为：将热塑性变形工艺步骤得到的镁锂合金在450℃条件下固溶20分钟。

[0028] 该高强度超轻合金Mg‑6Li‑0.5Zn‑0.2Y‑0.2Si的密度为1.58g/cm3，室温力学性能为：

[0029] 屈服强度：235MPa，抗拉强度：290MPa，延伸率：29%。

[0030] 实施例2

[0031] 本发明提供了一种高强度超轻合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：18wt%Li，9wt%Zn，2wt%Y，3wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质。所述杂质Fe、Cu、Ni、C总
含量小于0.02wt%。

[0032] 该高强度超轻合金的制备方法，包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理四个阶段；其中，熔炼工艺步骤为：将合金的各组分配比熔化后升温到660℃，机械
搅拌18min，静置保温5min，浇铸，得镁锂合金锭；

[0033] 高温固溶热处理工艺步骤为：将熔炼工艺步骤得到的镁锂合金锭在300℃条件下固溶10小时，在空气中冷却到250℃；

[0034] 热塑性变形工艺步骤为：将高温固溶热处理工艺步骤得到的镁锂合金锭在250℃下进行轧制处理；

[0035] 短时固溶热处理工艺步骤为：将热塑性变形工艺步骤得到的镁锂合金在350℃条件下固溶100分钟。

[0036] 该高强度超轻合金Mg‑18Li‑9Zn‑2Y‑3Si的密度为1.49g/cm3，室温力学性能为：

[0037] 屈服强度：260MPa，抗拉强度：315MPa，延伸率：38%。

[0038] 实施例3

[0039] 本发明提供了一种高强度超轻合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：12wt%Li，4.5wt%Zn，1wt%Y，1.5wt%Si，余量为Mg和不可避免的杂质。所述杂质Fe、Cu、Ni、
C总含量小于0.02wt%。

[0040] 该高强度超轻合金的制备方法，包括熔炼、高温固溶热处理、热塑性变形、短时固溶热处理四个阶段；其中，熔炼工艺步骤为：将合金的各组分配比熔化后升温到710℃，机械
搅拌12min，静置保温15min，浇铸，得镁锂合金锭；

[0041] 高温固溶热处理工艺步骤为：将熔炼工艺步骤得到的镁锂合金锭在390℃条件下固溶5小时，在空气中冷却到350℃；

[0042] 热塑性变形工艺步骤为：将高温固溶热处理工艺步骤得到的镁锂合金锭在350℃下进行锻造处理；

[0043] 短时固溶热处理工艺步骤为：将热塑性变形工艺步骤得到的镁锂合金在400℃条件下固溶60分钟。

[0044] 该高强度超轻合金Mg‑12Li‑4.5Zn‑1Y‑1.5Si的密度为1.51g/cm3，室温力学性能为：

[0045] 屈服强度：275MPa，抗拉强度：340MPa，延伸率：26%。

[0046] 对比例1

[0047] 本对比例涉及一种变形镁锂合金，所述合金的组分与实施例1相同。所述合金的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于热塑性变形之前未对合金做高温固溶热处理，采
用的热变形工艺为在200 ℃下均匀化处理4 h后进行挤压。

[0048] 以此方法得到的挤压态镁锂合金Mg‑6Li‑0.5Zn‑0.2Y‑0.2Si室温力学性能为：

[0049] 屈服强度：185MPa，抗拉强度：245MPa，延伸率：16%。

[0050] 对比例2

[0051] 本对比例涉及一种变形镁锂合金，所述合金的组分与实施例2相同。所述合金的制备方法与实施例2基本相同，不同之处在于热塑性变形之后未对合金做短时固溶热处理。

[0052] 以此方法得到的轧制态镁锂合金Mg‑18Li‑9Zn‑2Y‑3Si室温力学性能为：

[0053] 屈服强度：210MPa，抗拉强度：270MPa，延伸率：21%。

[0054] 对比例3

[0055] 本对比例涉及一种变形镁锂合金，所述合金的组分与实施例3相同。所述合金的制备方法与实施例3基本相同，不同之处在于热塑性变形之前未对合金做高温固溶热处理，热
塑性变形之后也未对合金做短时固溶热处理，采用的热变形工艺为在200 ℃下均匀化处理
4h后进行锻造。

[0056] 以此方法得到的锻压态镁锂合金Mg‑12Li‑4.5Zn‑1Y‑1.5Si室温力学性能为：

[0057] 屈服强度：220MPa，抗拉强度：280MPa，延伸率：19%。

[0058] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。