本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料技術(shù)，尤其涉及一種顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料、其制備方法及用途。

背景技術(shù)：

1、鎂鋰合金是當(dāng)前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有較低的密度(1.35～1.65g/cm3)、高比模量、比強(qiáng)度和良好的冷變形能力，以及良好的電磁屏蔽性能，使得鎂鋰合金在航空航天、電子工業(yè)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鎂鋰合金的絕對強(qiáng)度低、耐腐蝕性差，時(shí)效易軟化，從而易導(dǎo)致強(qiáng)塑失穩(wěn)性，嚴(yán)重阻礙鎂鋰合金的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。因此，如何提高鎂鋰合金強(qiáng)度和減緩鎂鋰合金時(shí)效軟化進(jìn)程是高性能鎂鋰合金制備與應(yīng)用的前提與關(guān)鍵。

2、合金化、顆粒強(qiáng)化和變形強(qiáng)化是提高鎂鋰合金強(qiáng)塑性的有效方法。有研究表明ca元素是雙相鎂鋰合金的一種有效細(xì)化劑(journal?of?magnesium?and?alloys,2013,1(4):6)，ca元素添加也可有效提高鎂鋰合金強(qiáng)度和耐腐蝕性能(transactions?of?the?indianinstitute?of?metals,2019,72(6))。微量稀土元素添加可有效抑制鎂鋰合金的時(shí)效軟化進(jìn)程(journal?of?alloys?and?compounds616(2014):408-412)；其次，sn元素添加可引入li2mgsn和mg2sn相，li2mgsn可以作為β-li相的形核點(diǎn)，是β-li相的有效細(xì)化劑，擠壓變形過程中mg2sn相作為穩(wěn)定的金屬間化合物可以提高鎂鋰合金的強(qiáng)度(metals?2017,7(5),172)?，F(xiàn)有報(bào)道工作主要研究了單元素添加和單種變形工藝對鎂鋰合金力學(xué)性能的影響，但未研究元素復(fù)合添加和復(fù)合變形工藝對鎂鋰合金性能的影響?！?02310011729.8】專利中提及tib2顆粒添加形成一種核殼結(jié)構(gòu)，從而提高合金力學(xué)性能，但其用到的al-tib2需進(jìn)行球磨和冷壓等預(yù)處理，且大規(guī)模制備難，產(chǎn)量有限；稀有貴金屬(如yb)的成本是ca、y合金元素的近20倍，成本過高；大氣條件下利用氣氛保護(hù)法進(jìn)行攪拌鑄造的工藝會(huì)導(dǎo)致合金中氧化夾雜增多，鑄坯質(zhì)量低下，且生產(chǎn)容易出現(xiàn)安全事故等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對傳統(tǒng)鎂鋰合金絕對強(qiáng)度低、耐腐蝕性差和強(qiáng)塑易失穩(wěn)性的問題，提出一種顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有低成本、高強(qiáng)塑性、低密度和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。該鎂鋰基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為300～350mpa，屈服強(qiáng)度為250～290mpa，延伸率為7～15％，能滿足航空航天、軍事裝備、無人機(jī)和軌道交通等工程領(lǐng)域?qū)p量化材料的需求。

2、需要注意的是，在本發(fā)明中，除非另有規(guī)定，涉及組成限定和描述的“包括”的具體含義，既包含了開放式的“包括”、“包含”等及其類似含義，也包含了封閉式的“由…組成”、“由…構(gòu)成”等及其類似含義。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料，其包含的組分及質(zhì)量百分含量為：li?5.7～10％，al?1～7％，ca0.3～1.0％，y?0.3～1.0％，sn?0.5～2.5％，tib2顆粒0.05～0.7％，其余為mg和不可避免的微量雜質(zhì)元素。

4、進(jìn)一步地，所述顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料包含的組分及質(zhì)量百分含量為：li6～8％，al?3～5％，ca?0.3～0.5％，y?0.3～0.5％，sn?0.5～1.5％，tib2顆粒0.05～0.5％，其余為mg和不可避免的微量雜質(zhì)元素。

5、進(jìn)一步地，所述tib2顆粒來源于al-tib2前驅(qū)體。

6、進(jìn)一步地，所述al-tib2前驅(qū)體內(nèi)tib2顆粒含量為1～15％，優(yōu)選al-tib2前驅(qū)體內(nèi)顆粒含量為3～10％。

7、進(jìn)一步地，所述tib2顆粒的平均粒徑為50～2000nm，優(yōu)選平均粒徑為200～1000nm。

8、進(jìn)一步地，所述顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為300～350mpa，屈服強(qiáng)度為250～290mpa，延伸率為7～15％。

9、本發(fā)明的另一個(gè)目的還公開了一種顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

10、s1：清洗al-tib2前驅(qū)體表面，干燥處理待用；

11、s2：真空氬氣保護(hù)熔煉制備鎂鋰合金：將高純mg和高純al塊加入到真空熔煉爐中，先抽真空，再反充氬氣保護(hù)，將溫度升至740～760℃熔煉，待高純mg和高純al塊熔化后，降溫至690～710℃，依次加入mg-ca中間合金、mg-y中間合金和al-tib2前驅(qū)體，保溫并機(jī)械攪拌，待金屬熔化后降溫至690～700℃，加入高純sn和高純li金屬，進(jìn)行保溫，待熔化后降溫至670～690℃進(jìn)行機(jī)械攪拌，隨后澆鑄于保溫的錠模中得到鑄錠；

12、s3：熱處理：將鑄錠表面除油和祛除氧化層，依次均勻化空冷熱處理和固溶水淬熱處理，最后對鑄錠表面銑削；

13、s4：復(fù)合變形：第一步將鑄錠低變形量多向鍛造成圓錠；第二步高溫?cái)D壓，擠壓后進(jìn)行水淬處理；第三步中溫?cái)D壓，擠壓后水淬處理；第四步中溫下低道次高壓下量的梯溫軋制，軋制板空冷處理；第五步室溫軋制；

14、s5：調(diào)質(zhì)熱處理：將軋制板短時(shí)固溶水淬處理。

15、進(jìn)一步地，所述高純mg、高純al、高純sn和高純li純度大于等于99.99％。

16、進(jìn)一步地，所述mg-ca中間合金為mg-20ca，所述mg-y中間合金為mg-20y。所述mg-20ca、mg-20y和al-tib2前驅(qū)體的純度為大于等于99.97％，如無特殊說明，本發(fā)明中％均為質(zhì)量百分含量。

17、進(jìn)一步地，所述al-tib2前驅(qū)體純度大于等于99.97％，al-tib2前驅(qū)體內(nèi)tib2含量為3～10％，tib2顆粒直徑大小為200～1000nm。

18、進(jìn)一步地，所述原料在熔煉前預(yù)處理：將原材料表面銑除氧化層和祛油污，然后將原材料在真空干燥爐中干燥。

19、進(jìn)一步地，步驟s2所述mg-20ca、mg-20y、純鎂錠在100℃真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理1-3h待用。

20、進(jìn)一步地，步驟s2所述保溫的錠模溫度為150～230℃。

21、進(jìn)一步地，步驟s3所述均勻化空冷熱處理溫度為240～260℃，保溫時(shí)間為3～5h，空冷處理；所述固溶水淬熱處理溫度為350～400℃，保溫時(shí)間為2～4h，水淬處理。

22、進(jìn)一步地，步驟s3所述均勻化處理溫度260℃，保溫時(shí)間3h，空冷處理；所述固溶處理溫度350℃，保溫時(shí)間4h，水淬處理。

23、進(jìn)一步地，步驟s4所述鍛造溫度為260～300℃，每道次鍛造變形量為5～10％。

24、進(jìn)一步地，步驟s4所述高溫?cái)D壓：溫度為320～350℃，擠壓比為5：1～10：1，擠壓速度為10～15m/min，擠壓后進(jìn)行水淬處理。

25、進(jìn)一步地，步驟s4所述中溫?cái)D壓：溫度為260～300℃，擠壓比為25：1～32：1，擠壓速度為5～8m/min，擠壓后進(jìn)行水淬處理。

26、進(jìn)一步地，步驟s4所述中溫下低道次高壓下量的梯溫軋制：第一階段：軋制溫度250～260℃，每道次壓下量15～20％，變形量控制在45～55％，風(fēng)冷降溫為下一步降溫軋制做準(zhǔn)備；第二階段：軋制溫度150～200℃，每道次壓下量6～10％，變形量控制在15～20％，中溫軋制階段總變形量控制在60～75％。

27、進(jìn)一步地，步驟s4所述室溫軋制每道次壓下量為3～5％，變形量控制在5～13％。

28、進(jìn)一步地，步驟s4所述軋制階段板材總變形量控制在73～80％，板材最終厚度控制在5～15mm。

29、進(jìn)一步地，s5將軋制板進(jìn)行1-10min固溶水淬處理。

30、本發(fā)明的另一個(gè)目的還公開了一種顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料在航空航天、軍事裝備、無人機(jī)和軌道交通等工程領(lǐng)域的用途。

31、本發(fā)明顆粒增強(qiáng)雙相鎂鋰基復(fù)合材料、其制備方法及用途，與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：

32、(1)本發(fā)明原料選用低成本的合金化元素ca、y、sn和原位自生法制備的tib2，實(shí)現(xiàn)鎂鋰合金相組織與晶粒的雙重細(xì)化效果，提高了鎂鋰合金的強(qiáng)度和塑性，密度控制在1.5～1.65g/cm3。ca的添加使α-mg基體相細(xì)化，減少氧化物的夾雜。y元素促進(jìn)α-mg相的球化，進(jìn)一步細(xì)化α-mg相，al2y相改善合金強(qiáng)塑性，且y元素可一定程度上減緩鎂鋰合金時(shí)效軟化的進(jìn)程，保證鎂鋰合金強(qiáng)塑性的穩(wěn)定性。tib2顆粒和生成的al2ca、al2y和mg2sn第二相在變形過程中提高了合金的位錯(cuò)密度，大大提高了合金的強(qiáng)度。

33、(2)復(fù)合變形強(qiáng)化過程中，鍛造使鎂鋰合金原始鑄錠的孔洞閉合，減少了合金中的鑄造缺陷；高溫快速擠壓階段實(shí)現(xiàn)α-mg相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，β-li相內(nèi)積累較多形變貯能，為β-li相積累動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力；中溫?cái)D壓階段實(shí)現(xiàn)β-li相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，擠壓階段實(shí)現(xiàn)部分α-mg相和β-li相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)一步細(xì)化基體相，改善合金的強(qiáng)塑性。中溫梯溫軋制第一階段為α-mg相提供形變貯能，為提高強(qiáng)化析出相含量，減少熱變形過程中β-li相動(dòng)態(tài)回復(fù)長大趨勢。快速風(fēng)冷降溫并進(jìn)行第二階段中溫軋制，可進(jìn)一步提高α-mg相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶比例，減少了β-li相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織長大對鎂鋰合金強(qiáng)塑性的影響。室溫軋制過程中基體相通過機(jī)械破碎方式使得相組織和晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，室溫軋制變形過程中第二相和tib2顆粒的存在提高了鎂鋰合金基體中的位錯(cuò)密度，大大提高了鎂鋰合金的強(qiáng)度。中溫梯溫軋制+室溫軋制進(jìn)一步細(xì)化基體相，低道次高壓下量的中溫軋制過程中減少了β-li相再結(jié)晶晶粒生長的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)兩基體相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化，優(yōu)化雙相鎂鋰合金強(qiáng)塑協(xié)同性。后續(xù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)件的使用需求可進(jìn)行短時(shí)固溶處理或者短時(shí)退火處理，實(shí)現(xiàn)鎂鋰基復(fù)材強(qiáng)度和塑性的調(diào)控，提高材料的使用壽命，降低了材料使用成本，拓寬鎂鋰合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

34、綜上，本發(fā)明通過添加al-tib2前驅(qū)體，采用真空氬氣保護(hù)法將原材料進(jìn)行熔煉制備出鎂鋰合金鑄錠，將鎂鋰合金鑄錠進(jìn)行預(yù)處理和熱處理，然后將鑄錠進(jìn)行微鍛造和擠壓，之后進(jìn)行中溫軋制和室溫軋制，通過一系列復(fù)合變形工藝最終獲得的超輕雙相鎂鋰合金，其抗拉強(qiáng)度為300～350mpa，屈服強(qiáng)度250～290mpa和延伸率7～15％。本發(fā)明可以有效地實(shí)現(xiàn)微納tib2顆粒和合金元素協(xié)同雙重細(xì)化晶粒的效果，在晶粒內(nèi)形成的大量硬質(zhì)第二相彌散分布，提高合金基體內(nèi)的位錯(cuò)密度，并有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到應(yīng)變硬化(強(qiáng)化)的作用，顯著提高鎂鋰合金的強(qiáng)度，制備的鎂鋰合金具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。