一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料及其制備方法

一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明提供的是一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料及其制備方法。(a)將α?Mg單相Mg?Li合金板材和β?Li單相Mg?Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊；(b)將步驟(a)得到的Mg?Li合金板材進行固定；(c)將固定好的Mg?Li合金板材進行復合軋制；(d)將步驟(c)得到的Mg?Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊，疊加固定后進行復合軋制；(e)重復步驟(d)5～8道次得到累積疊軋復合板材；(f)將步驟(e)得到的累積疊軋復合板材在熱處理爐中進行退火處理。本發明通過復合累積疊軋，實現“搓軋區”的形成，復合板材界面結合效果良好。然后，通過退火處理進一步提高復合板材的界面結合強度、延伸率等力學性能。
【專利說明】
一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及的是一種鎂鋰合金層狀復合材料。本發明也涉及的是一種鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]鎂鋰合金是迄今為止最輕的金屬結構材料，其密度一般為1.35?1.65g/cm3，比普通鎂合金輕1/4?1/3，比鋁合金輕1/3?1/2，具有較高的比強度、比剛度、優良的抗震性能及抗高能粒子穿透能力，是航空、航天、核工業等領域最理想的金屬結構材料之一。
[0003]在鎂鋰二元合金中，根據Li含量的不同，合金的相組成和晶體結構也將隨之發生改變:當Li含量小于5.7%時，合金為a-Mg(Li在Mg中的固溶體)單相組織，具有密排六方晶體結構；當Li含量大于10.3%時，合金為β-Li (Mg在Li內的固溶體)單相組織，具有體心立方晶體結構。a-Mg單相Mg-Li合金強度較高但塑性加工變形能力較差，β-Li單相Mg-Li合金塑性變形能力良好但強度較低，這使得兩種合金的工業化生產和應用受到一定的限制。開發強度、塑性等綜合力學性能良好的鎂鋰合金，提高鎂鋰合金產品質量，對于擴大其在航空航天、交通運輸等的應用具有十分重要的意義。
[0004]為了改善這兩種鎂鋰合金的性能，合金化、添加晶粒細化劑和塑性變形是比較常見的三種方法。公開號為CN102912203的專利文件中，公開了一種“晶粒細化型鎂鋰合金及其制備方法”，通過向β-Li單相Mg-Li合金中加入適量的稀土元素La，使合金的強度和硬度得到明顯改善;公開號為CN101713034的專利文件中，公開了一種“細化LA141鎂鋰合金晶粒的方法”，通過在熔煉過程中添加Al-5T1-lB中間合金細化LA141合金晶粒，得到鑄態組織細小并具有良好強度和塑性且后續加工性能優良的合金;T.L.Zhu等通過對Mg-5L1-lAl單相合金進行乳制變形，顯著提高了合金的塑性并明顯改善了乳制合金的各向異性(Influenceof Y and Nd on microstructure, texture and anisotropy of Mg-5L1-lAl,MaterialsScience&Engineering A,2014,600:1-7)。雖然上述方法使得鎂鋰合金的性能得到較大程度的提尚，但提升能力有限。
[0005]累積疊乳技術是由日本國立大阪大學的Saito教授于1998年首次提出，并利用這種壓下量為50%的工藝成功使純鋁的晶粒尺寸細化至Ιμπι以下，使其具有超細晶結構，從而顯著提高合金的綜合力學性能。累積疊乳技術被認為是唯一的能夠實現大規模工業化連續生產超細晶材料的劇烈塑性變形技術。異種金屬復合材料是一種新型的功能材料，它是通過一定的復合技術使兩種或兩種以上物理、化學及力學性能不同的金屬材料結合在一起，從而能夠在保證金屬材料各自原有特性的基礎上，具有單個金屬材料所不具有的特殊性能，從而有效降低成本、更大程度上實現材料的工業化生產價值。目前，利用累積疊乳技術已制備出各種異種金屬復合材料，如Al/Cu、Mg/Al、Zr/Nb、Al/Ti/Mg等。
[0006]α-Mg單相Mg-Li合金具有密排六方晶體結構，β-Li單相Mg-Li合金具有體心立方晶體結構。通常，具有不同晶體結構類型的合金復合時由于晶格間存在一定的半共格或非共格界面，難以實現較好的界面結合。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在于提供一種界面結合性能好，抗拉強度及延伸率大的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料。本發明的目的還在于提供一種能提高復合板材的界面結合強度、延伸率等力學性能的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法。
[0008]本發明的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料是由α-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材經累積疊乳及退火處理所得到的鎂鋰合金層狀復合材料。
[0009]本發明的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料還可以包括:
[0010]1、所述α-Mg單相Mg-Li合金板材的質量百分含量為L1:4.5%?5.5%，Al:0.5%?2.0%,不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si雜質總量小于0.03%,余量為Mg ；所述β-Li單相Mg-Li合金板材的質量百分含量為L1:11.5%?15.0%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、皿11、3丨雜質總量小于0.03%，余量為Mg。
[0011 ] 2、所述a-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材的初始厚度均為2mm。
[0012]本發明的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法為:
[0013](a)分別將a-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊，首先進行表面清洗，然后進行表面打磨處理；
[00?4 ] (b)將步驟(a)得到的Mg-L i合金板材進行固定；
[0015](C)將步驟(b)得到的固定好的Mg-Li合金板材進行復合乳制，乳制條件:溫度為300 °C ?400 °C，壓下量為55% ?65%，保溫5min?15min;
[0016](d)將步驟(c)得到的Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊，疊加固定后進行復合乳制，乳制條件:溫度為300°C?400°C，壓下量為55%?65%，保溫5min?1min;
[0017](e)重復步驟(d)5?8道次得到累積疊乳復合板材；
[0018](f)將步驟(e)得到的累積疊乳復合板材在熱處理爐中進行退火處理，溫度為300°C?450°C，時間為15min?90min。
[0019 ]本發明的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法還可以包括:
[0020]對于α-Mg單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為:L1: 4.5 %?5.5 %，Al:
0.5%?2.0%，不可避免的？6、&1、祖、111、3丨等雜質總量小于0.03%，余量為1%。對于0-1^單相鎂鋰合金，其組成成分和質量百分含量為:L1:11.5%?15.0%，Al:0.5%?2.0%，不可避免的？6、&1、附、111、31等雜質總量小于0.03%，余量為1%。板材初始厚度均為2111111。
[0021]步驟(a)中兩種鎂鋰合金表面清洗步驟為首先用稀鹽酸清洗，以去除合金表面大塊油污;再用細砂紙打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，進一步去除合金表面油污；最后用無水乙醇沖洗并烘干。對于兩種合金不同的是β-Li單相鎂鋰合金用稀鹽酸清洗時間稍短。
[0022]步驟(a)中表面打磨處理為使用鋼刷打磨。
[0023]步驟(b)中將兩塊鎂鋰合金板材進行固定的方法為四角鉆孔并用鉚釘或細鐵絲固定。
[0024]在本發明中，由于兩種Mg-Li合金的變形能力差異較大，在復合乳制過程中將形成類似于異步乳制復合產生較大剪切應力的“搓乳區”。由于“搓乳區”的存在，復合板材界面結合效果良好。此外，對于異種金屬復合材料，界面作為整個復合板材較脆弱的部分，往往成為科研工作者們的研究熱點問題。界面區組織形貌及第二相決定了界面結合強度甚至整個復合板材的力學性能。與普通累積疊乳復合板材不同(界面處通常為氧化物顆粒，不利于界面結合)，α/β鎂鋰合金復合板材經過退火處理后界面處將形成成分介于α-Mg單相與β-Li單相Mg-Li合金之間的兩相擴散區，雙相組織具有優異的強度與塑性配合，因此累積疊乳后適當工藝的退火處理可以顯著提高界面的結合強度，進而改善復合板材的綜合力學性能。
[0025]本發明選取具有α-Mg單相和具有β-Li單相的兩種Mg-Li合金板材作為初始材料，在適當的工藝下進行復合累積疊乳，得到一種兼具兩種Mg-Li合金優良特性的層狀復合材料。然后，在適當地工藝下對復合板材進行退火處理，進一步提高其界面結合強度及綜合力學性能，最終制備出一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料。
[0026]本發明所具有的實質性特點和有益效果:
[0027](I)本發明將強度較高的a-Mg單相Mg-Li合金和塑韌性良好的β-Li單相Mg-Li合金通過累積疊乳工藝結合在一起，獲得了 α/β交替的鎂鋰合金層狀復合材料，復合板材兼具高強度與良好塑韌性。
[0028](2)由于a-Mg單相Mg-Li合金和β-Li單相Mg-Li合金的性能存在較大差異，塑性變形加工及退火處理工藝也均有較大差異，本發明對復合板材在塑性變形及退火處理工藝上進行了探索，最終獲得了性能最佳的板材制備工藝。
[0029](3)本發明中，利用同步乳機在適當地乳制工藝下對異種Mg-Li合金進行復合累積疊乳，由于兩種Mg-Li合金塑性變形能力存在差異，在變形過程中界面處將產生類似于異步乳制的“搓乳區”，“搓乳區”的形成有利于復合板材形成牢固的界面結合。在同步乳機上實現類似于異步乳制的效果，也是本發明的創新特點。
[0030](4)與普通α+β雙相Mg-Li合金累積疊乳復合板材不同(《高強韌性鎂鋰合金及累積疊乳焊工藝制備高強韌性鎂鋰合金的方法》(公開號:CN104498793))，利用本發明制備出的α/β交替的鎂鋰合金層狀復合材料塑性變形加工性能更優。
[0031](5)本發明將累積疊乳后的復合板材在適當地退火工藝下進行退火處理，對于退火溫度和退火時間進行了探索，通過擴散和再結晶提高了復合板材的界面結合強度以及綜合力學性能ARB6鎂鋰合金復合板材的抗拉強度、延伸率分別達到190MPa、21 %以上。
【附圖說明】
[0032]圖1為實施例1中α/β鎂鋰合金復合板材顯微組織照片。
[0033]圖2(a)-圖2(b)為實施例1中α/β鎂鋰合金復合板材400 °C30min退火處理顯微組織照片，其中圖 2(a)ARBl，圖 2(b)ARB6。
[0034]圖3為實施例1中α/β鎂鋰合金復合板材與α-Mg單相和β-Li單相鎂鋰合金應力-應變曲線對比。
[0035]圖4為實施例1中α/β鎂鋰合金復合板材經過退火處理后界面剪切強度表。
【具體實施方式】
[0036]本發明的目的是通過累積疊乳技術制備一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料。通過分別對具有α-Mg單相和β-Li單相的兩種Mg-Li合金板材進行復合累積疊乳，在適當的乳制工藝下利用a-Mg相和β-Li相之間的塑性變形能力差異實現“搓乳區”的形成，復合板材界面結合效果良好。然后，通過適當工藝的退火處理進一步提高復合板材的界面結合強度、延伸率等力學性能，最終制備出一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料。
[0037]以下通過具體的實施例對本發明的技術方案做詳細描述，但是應當理解，這些實施例是用于說明本發明，而不是對本發明的限制，在本發明的構思前提下對本發明做簡單改進，都屬于本發明要求保護的范圍。
[0038]實施例1:
[0039]對于α-Mg單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為L1:5.0%，A1:1.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。對于β-Li單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為:1^:12.0%41:1.0%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。板材初始厚度均為2_。
[0040]α/β鎂鋰合金復合板材的累積疊乳及退火處理過程:
[0041](a)分別將兩種鎂鋰合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊。首先進行表面清洗，即先用稀鹽酸清洗，以去除合金表面大塊油污;再用細砂紙打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，進一步去除合金表面油污;最后用無水乙醇沖洗并烘干，其中β-Li單相鎂鋰合金用稀鹽酸清洗時間稍短。然后對清洗后的鎂鋰合金板材表面用鋼刷打磨處理。
[0042](b)將步驟(a)得到的經過表面處理的兩塊鎂鋰合金板材四角鉆孔并用鉚釘進行固定。
[0043 ] (c)將步驟(b)得到的固定好的兩塊鎂鋰合金在350 °C下以55 %的壓下量進行復合累積疊乳，道次間保溫時間為第一道次保溫12min，其它道次保溫7min。
[0044](d)對于步驟(c)得到的鎂鋰合金，再按照步驟(a)?(c)重復乳制6次。
[0045](e)將步驟(d)得到的累積疊乳6道次復合板材在400°C退火處理30min。
[0046]通過以上累積疊乳工藝，制得了6道次α/β鎂鋰合金復合板材，復合板材的顯微組織見附圖1。經過400°C30min退火處理后，復合板材顯微組織中出現大量再結晶晶粒，同時界面處形成一薄層擴散區，為了更清晰地觀察界面擴散區的存在，附圖2(a)_(b)中分別為ARBl和ARB6板材退火處理后的顯微組織照片。同時，退火處理后復合板材界面結合能力增強。圖4的附表I列出了鎂鋰合金復合板材退火前后的界面剪切強度值，未退火處理的復合板材界面剪切強度為17.44MPa，經過400 °C 30min退火處理后，復合板材界面剪切強度得到提升，約20.03MPa。可見，退火處理可以有效提升復合板材的界面結合強度。同時，附圖3對比了 α-Mg單相、β-Li單相、ARB6未退火及ARB6退火板材的力學性能，可以看到，經過6道次累積疊乳后，復合板材強度迅速提升，而延伸率也得到良好的保持，屈服強度、抗拉強度和延伸率分別達到137.74MPa、243.63MPa和15.08%。經過400°C30min退火處理后，復合板材強度稍有下降，抗拉強度達到189.34MPa，但塑性顯著提升，延伸率由未退火時的15.08 %提高至21.88%，獲得了良好的綜合力學性能。
[0047]實施例2:
[0048]對于α-Mg單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為L1:4.5%，Al:0.5%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。對于β-Li單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為:1^:11.5%41:0.5%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。板材初始厚度均為2_。
[0049]α/β鎂鋰合金復合板材的累積疊乳及退火處理過程:
[0050](a)分別將兩種鎂鋰合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊。首先進行表面清洗，即先用稀鹽酸清洗，以去除合金表面大塊油污;再用細砂紙打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，進一步去除合金表面油污;最后用無水乙醇沖洗并烘干，其中β-Li單相鎂鋰合金用稀鹽酸清洗時間稍短。然后對清洗后的鎂鋰合金板材表面用鋼刷打磨處理。
[0051](b)將步驟(a)得到的經過表面處理的兩塊鎂鋰合金板材四角鉆孔并用鉚釘進行固定。
[0052](c)將步驟(b)得到的固定好的兩塊鎂鋰合金在320°C下以60%的壓下量進行復合累積疊乳，道次間保溫時間為第一道次保溫lOmin，其它道次保溫5min。
[0053](d)對于步驟(c)得到的鎂鋰合金，再按照步驟(a)?(c)重復乳制6次。
[0054](e)將步驟(d)得到的累積疊乳6道次復合板材在300°C退火處理60min。
[0055]實施例3
[0056]對于α-Mg單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為L1:5.5%，Al:2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。對于β-Li單相Mg-Li合金，其組成成分和質量百分含量為:1^:15.0%41:1.5%，不可避免的？6、01、附、111、3丨等雜質總量小于0.03%，余量為Mg。板材初始厚度均為2_。
[0057]α/β鎂鋰合金復合板材的累積疊乳及退火處理過程:
[0058](a)分別將兩種鎂鋰合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊。首先進行表面清洗，即先用稀鹽酸清洗，以去除合金表面大塊油污;再用細砂紙打磨，去除合金表面氧化物;然后用丙酮清洗，進一步去除合金表面油污;最后用無水乙醇沖洗并烘干，其中β-Li單相鎂鋰合金用稀鹽酸清洗時間稍短。然后對清洗后的鎂鋰合金板材表面用鋼刷打磨處理。
[0059](b)將步驟(a)得到的經過表面處理的兩塊鎂鋰合金板材四角鉆孔并用鉚釘進行固定。
[0060](幻將步驟(13)得到的固定好的兩塊鎂鋰合金在380°C下以65 %的壓下量進行復合累積疊乳，道次間保溫時間為第一道次保溫15min，其它道次保溫lOmin。
[0061](d)對于步驟(c)得到的鎂鋰合金，再按照步驟(a)?(c)重復乳制6次。
[0062](e)將步驟(d)得到的累積疊乳6道次復合板材在300°C退火處理80min。
【主權項】
1.一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料，其特征是由α-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材經累積疊乳及退火處理所得到的鎂鋰合金層狀復合材料。2.根據權利要求1所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料，其特征是:所述α-Mg單相Mg-Li合金板材的質量百分含量為L1:4.5%?5.5%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si雜質總量小于0.03%，余量為1%;所述0-1^單相1%-1^合金板材的質量百分含量為L1:11.5%?15.0% 41:0.5%?2.0%，不可避免的卩6、01、附、]?11、51雜質總量小于0.03%，余量為Mg。3.根據權利要求1或2所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料，其特征是:所述α-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材的初始厚度均為2mm。4.一種高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是: (a)分別將α-Mg單相Mg-Li合金板材和β-Li單相Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊，首先進行表面清洗，然后進行表面打磨處理； (b)將步驟(a)得到的Mg-Li合金板材進行固定； (c)將步驟(b)得到的固定好的Mg-Li合金板材進行復合乳制，乳制條件:溫度為300°C?400°C，壓下量為55%?65%，保溫5min?15min; (d)將步驟(c)得到的Mg-Li合金板材裁剪成尺寸相等的兩塊，疊加固定后進行復合乳制，乳制條件:溫度為300°C?400°C，壓下量為55%?65%，保溫5min?1min; (e)重復步驟(d)5?8道次得到累積疊乳復合板材； (f)將步驟(e)得到的累積疊乳復合板材在熱處理爐中進行退火處理，溫度為300°C?450°C，時間為15min?90min。5.根據權利要求4所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是:所述α-Mg單相Mg-Li合金板材的質量百分含量為L1:4.5%?5.5%，Al:0.5%?2.0%，不可避免的？^&1、附、111、51雜質總量小于0.03%，余量為1%;所述0-1^單相1%-1^合金板材的質量百分含量為L1:11.5%?15.0%，A1:0.5%?2.0%，不可避免的Fe、Cu、N1、Mn、Si雜質總量小于0.03%，余量為Mg。6.根據權利要求5所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是:a-Mg單相Mg-Li合金板材中的Li為5.0%、A1為1.0% ;i3-Li單相Mg-Li合金板材中的Li為12.0 %、Al 為 1.0%。7.根據權利要求4-6任何一項所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是步驟(c)中的乳制條件為:溫度為3500C，壓下量55%，保溫12min ；步驟(d)中的乳制條件為:溫度為350°C，壓下量55%，保溫7min。8.根據權利要求4-6任何一項所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是步驟(c)中的乳制條件為:溫度為3500C，壓下量55%，保溫12min ；步驟(d)中的乳制條件為:溫度為350°C，壓下量55%，保溫7min。9.根據權利要求7所述的高強韌性鎂鋰合金層狀復合材料的制備方法，其特征是步驟(c)中的乳制條件為:溫度為350°C，壓下量55%，保溫12min;步驟(d)中的乳制條件為:溫度為350°C，壓下量55%，保溫7min。
【文檔編號】B32B15/01GK106064504SQ201610416293
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月8日 公開號201610416293.0, CN 106064504 A, CN 106064504A, CN 201610416293, CN-A-106064504, CN106064504 A, CN106064504A, CN201610416293, CN201610416293.0
【發明人】巫瑞智, 王天資, 侯樂干, 張密林
【申請人】哈爾濱工程大學