一种基于深冷多面轧制制备的低密度高比强度β相镁锂合金及制备方法

技术领域

本发明属于镁锂合金加工技术领域，特别是涉及一种基于深冷多面轧制制备的低密度高比强度β相镁锂合金及制备方法。

技术背景

针对航空航天等领域对于轻量化的苛刻需求，镁合金作为轻质金属是不可忽视的优选材料。镁的密度为1.74g/cm

变形加工过程可使合金通过晶粒细化和位错强化的方式提升力学性能，对于纯β单相镁锂合金，由于其铸态晶粒尺寸往往特别粗大，因此通过塑性变形加工实现晶粒细化是一种提升镁锂合金力学性能的很好手段。但是由于体心立方结构相对于密排六方结构的临界剪切应力很低，这使得合金在变形过程中位错易开动，过早的动态再结晶以及位错的泯灭使得合金的力学性能提升效果得不到充分的体现。因此，常规的变形加工对于β单相镁锂合金的强韧化效果不明显。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于深冷多面轧制制备的低密度高比强度β相镁锂合金及制备方法。通过深冷处理实现抑制合金轧制过程中动态再结晶中晶粒的长大，同时通过改变轧制道次间受力面的方式提高合金对应力输入的有效利用率，获得高密度的位错。在保证低密度的同时显著提高镁锂合金力学性能，使β相镁锂合金具有很高强度，最终实现镁锂合金的比强度突破220kNm/kg的瓶颈。

本发明采用如下技术方案来实现目的：

一种基于深冷多面轧制制备的低密度高比强度β相镁锂合金的制备方法，包括如下步骤：

将β单相镁锂合金在液氮中进行深冷处理；

将所述深冷处理后的β单相镁锂合金进行多面轧制，所述多面轧制取两对平面分别承担一半的总应变量；

每道次间均将块状合金浸泡于液氮中，总应变量与40％～80％常规轧制相同；

经过液氮预浸泡以及道次间浸泡使合金的温度急剧下降，位错运动减缓并持续积累，较大的过冷度使晶界无法快速迁移，呈现了高位错密度，小晶粒尺寸的显微组织形态，为合金机械性能的强化提供了位错强化和细晶强化的作用；

所述镁锂合金的成分及质量百分含量为：Zn：4.5-5％，Er：0.5-1.5％，Li：16％，其余为Mg以及不可去除的杂质元素，使合金的密度为1.29-1.31g/cm

1.所述深冷处理的时间为1h～5h。

2.每道次轧制的压下量为2.5％～5％，每道次间均将块状合金浸泡于液氮中冷却不低于10分钟。

3.轧制的转速为600r/min。

4.所述多面轧制取两对平面分别承担一半的总应变量具体为：当A面为受压面时，应变量达到一半的总应变量后，将块状镁锂合金翻转90°，即以B面为受压面完成余下的一半应变量。

一种基于深冷多面轧制制备的低密度高比强度β相镁锂合金，由以上方法制备而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以低密度的轻质镁锂合金为基础，通过深冷多面轧制的方式提高合金力学性能。从而在保证低密度的前提下，进一步提高了合金的比强度。本发明提供了通过深冷多面轧制块状β相镁锂合金的方法，在于通过温度急剧下降的方式提高过冷度，这使得位错积累后无法快速的通过交滑移互相抵消，从而实现了位错数量的持续积累和应力集中的加剧。应力集中为动态再结晶的形核提供驱动力，但是较低的温度却无法使晶界快速的迁移，保证了动态再结晶晶粒能够保持纳米尺寸的状态。多面轧制通过改变道次间的金属流动，实现了对合金显微组织的优化调控，增加了位错以及动态再结晶的形核位点，从而进一步实现了大面积纳米晶粒的存在以及机械性能的进一步提升。最终实现了纯β相镁锂合金的室温抗压缩性能为297MPa，比强度大约为226kNm/kg。

附图说明

图1为本发明轧制方法以及压缩试验取样位置示意图；

图2为本发明不同状态下的室温压缩应力应变曲线；

图3为本发明多面轧制以及常规轧制后的TEM显微组织形貌；

图4为多面轧制与常规轧制金属流动的网格示意图；

图5为多面轧制与常规轧制后显微组织差异的示意图。

具体实施方案

以下通过具体的实施例对本发明进行详细的阐述,以使本发明的优势与特性被本领域的技术人员理解。所述实施例仅为本发明一部分，而不是全部的实施例，在本发明构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明的保护范围。

一种通过多面深冷轧制的低密度、高比强度、成形性好的镁锂合金制备步骤如下：

本发明对纯β相镁锂合金的组成和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的β相高锂镁锂合金即可。本发明的实施案例中，所述的镁锂合金优选包括以下元素组成：Zn：4.5-5％，Er：0.5-1.5％，Li：16％，其余为Mg以及不可去除的杂质元素。其中在本发明的一个实施例中，所述β相镁锂合金的元素组成为16wt％的Li、4wt％的Zn、1wt％的Er和余量的Mg。本发明中，所述的Li、Mg和Zn的纯度优选为99.99％，Er以Mg-14％Er中间合金的形式加入。

本发明中的块状合金尺寸为20mm×20mm×20mm，但本发明中的实施方法以及思路适用于任何尺寸以及比例的块状合金。

本发明将块状镁锂合金浸泡在液氮中，浸泡时长不超过5个小时，优选为1h～5h，在本发明的具体实施例中可具体为1h或5h。

将所述深冷处理后的块状镁锂合金进行多面轧制。本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的轧制道次，轧制转速以及每道次的压下量。在本发明中，所述轧制的转速优选为600r/min。每个道次之间压下率优选为2.5％～5％，在本实施例中可具体为4％。经过液氮预浸泡以及道次间浸泡使合金的温度急剧下降，位错运动减缓并持续积累，较大的过冷度使晶界无法快速迁移，呈现了高位错密度，小晶粒尺寸的显微组织形态，为合金机械性能的强化提供了位错强化和细晶强化的重要作用。

本发明所述多面轧制的总应变量与40％～80％常规轧制相同，总应变量的选择没有特殊的限制，以本领域技术人员所采用的具体合金常规轧制优选的应变量即可。本实施例中采用多面轧制的总应变量与60％常规轧制相同。

本发明所述的多面轧制过程中，取两对平面分别承担一半的总应变量；结合附图1为详细操作。

本发明所述的多面轧制过程中，当A面为受压面时，应变量达到一半的总应变量后，将块状镁锂合金翻转90°，即以B面为受压面完成余下的一半应变量。在本发明中，当A面完成轧制工艺后，B面宽度由于金属的横向流动变大，即后续B面的应变量计算以实际的参数为准。

所述多面轧制过程中，每道次间均将块状合金浸泡于液氮中冷却不低于10分钟；

上述步骤按描述顺序进行。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本实验公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

实施例1

对Mg-16Li-4Zn-1Er纯β相镁锂合金进行深冷多面轧制：

所述β相镁锂合金的元素组成为16wt％的Li、4wt％的Zn、1wt％的Er和余量的Mg。本发明中，所述的Li、Mg和Zn的纯度优选为99.99％，Er以Mg-14％Er中间合金的形式加入；块状合金尺寸为20mm×20mm×20mm。

本发明将块状镁锂合金浸泡在液氮中，浸泡时长为1h。

将所述深冷处理后的块状镁锂合金进行多面轧制。轧制的转速为600r/min。每个道次之间压下量为4％。每个道次之间，将试样浸泡在液氮中15分钟冷却。

多面轧制的总应变量与60％常规轧制相同。当A面为受压面时，应变量达到一半的总应变量后，将块状镁锂合金翻转90°，即以B面为受压面完成余下的一半应变量。在本发明中，当A面完成轧制工艺后，B面宽度由于金属的横向流动变大，即后续B面的应变量计算以实际的参数为准。

上述步骤按描述顺序进行。

本发明将得到的室温压缩应力应变曲线如图2所示。最终实现了深冷多面轧制纯β相镁锂合金的室温抗压缩强度达到了297MPa。本实验中合金的密度为1.3g/cm

本发明多面轧制相对于常规轧制的金属流动网格示意图如图4所示。即不同于常规轧制，多面轧制通过在保证应力输入的同时改变金属流动的方向，提高了合金显微组织对应力输入的吸收利用率。与此同时，本发明不同于多面锻造的是，锻造为合金试样提供的是正应力，而轧制为合金提供的是切应力。在锻造和多面轧制过程中金属流动的方式是完全不同的。轧辊咬合瞬间的切应力对晶粒取向以及变形程度的影响是锻造无法实现的。

对比例1

对Mg-16Li-4Zn-1Er纯β相镁锂合金进行室温常规轧制：

试样与实施例1中的镁锂合金试样尺寸、组成相同，但试样仅以A面为唯一受压面，完成全部的60％的压下量轧制，对试样进行室温压缩应力应变测试。

本发明测试得到室温常规轧制60％的镁锂合金室温抗压缩强度为204MPa。该对比例镁锂合金材料的强度明显低于实施例1，图3显示该状态下镁锂合金的晶粒粗大，晶粒内部位错被释放，且位错分布数量少。这说明采用深冷多面轧制工艺能够有效地提高β相镁锂合金的机械性能。

对比例2

对Mg-16Li-4Zn-1Er纯β相镁锂合金进行深冷常规轧制：

试样与实施例1中的镁锂合金试样尺寸、组成以及深冷处理标准相同，但试样的轧制方法与对比例1相同，对试样进行室温压缩应力应变测试。

本发明测试得到深冷常规轧制60％的镁锂合金室温抗压缩强度为272MPa。该对比例镁锂合金材料的强度相比于对比例1有提升，但依然低于实施例1。图3显示该状态下镁锂合金的晶粒相对于对比例1有所减小，但是纳米晶粒的范围仅以纳米尺度存在。相比之下，实施例1中的纳米晶粒的规模为微米尺度，这说明采用深冷多面轧制工艺有效地实现大范围的晶粒细化，深化了细晶强化和位错强化对纯β相镁锂合金的作用。

综上所述，本发明提供的纯β相镁锂合金的深冷多面轧制方法，能够通过提高合金过冷度，调控显微组织对应力输入的有效利用率，实现随着合金的变形，位错持续积累，并且有效地促进合金内部的动态再结晶形核但动态再结晶晶粒的晶界不随着合金的变形而迁移。最终实现了细晶强化和位错强化机制的进一步深化。本发明提供的方法工艺简单可靠，为各种尺寸镁锂合金工业样品提供技术指导，效率高，易于推广，具有重要的实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。