一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法

1.本发明属于定向凝固规则多孔材料制备工艺技术领域，具体涉及一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法。


背景技术：

2.镁锂合金是密度最小的合金材料，密度一般为1.35-1.65cm3，比普通镁合金轻1/4-1/3,比铝合金轻1/3-1/2，被称为超级合金。镁锂合金具有高比强度、高比刚度和优良的抗震性能以及抗高能粒子穿透能力，是航空、航天、汽车、3c产业、医疗机械等领域最理想并最具发展潜力的结构材料之一。目前，我国航空产业对材料轻量化、高比强度的需求为镁锂合金的发展提供了很多机遇。因此，制备出更低密度、更高比强度的镁锂合金对航空工业等众多领域的发展具有非常重要的意义。
3.目前，众多研究者都在研究镁锂合金，意在通过研究其在不同状况下的基本性能，采取加入其它元素或改变其各元素配比等方法，以达到优化镁锂合金的各项性能，推动镁锂合金在各领域的应用。而根据可查阅的文献知，目前，研究者对镁锂合金的研究主要集中在：镁锂合金防腐及其改进防腐性能的措施；镁锂合金密度、强度等综合性能的优化；改良镁锂合金加工方法等方面。其中，针对镁锂合金密度、强度的研究主要着重于控制合金元素配比以优化其密度、强度等综合性能；添加新的元素强化镁锂合金，如乐启炽等公开了《一种高强度低密度bcc结构镁锂合金棒材及其制备方法》(cn108118223a)，通过控制合金比例关系和合金元素种类的匹配，添加微量y元素，获得高强度镁锂合金；张杨等公开了一种《一种高强度镁锂合金的制备方法》(104004949a)，通过向镁锂合金中加入一定质量比的zn和cd元素，引入准晶作为强化相，获得了高强度镁锂合金；刘文才等公开了一种《一种lpso结构增强镁锂合金的制备方法》(cn108315618b)，通过引入gd和zn形成有lpso，从而提高镁锂合金强度和热稳定性。而通过加工技术制得具有孔隙结构规则且可调控的镁锂合金，以此优化密度、比强度等综合性能的却未见报道。
4.正是基于此，本发明提出一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明设计了一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法。
6.1、为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金，其特征在于：所述规则多孔镁锂合金其内部气孔内壁光滑且沿凝固方向呈圆柱体形状定向分布于镁锂合金基体中；所述气孔分布均匀，气孔之间二维贯通，呈闭孔型，气孔尺寸为0.1-2.0mm，气孔率为5-70％。
7.本发明的另一目的在于提供一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法，其特征在于：
8.s1：实验材料的准备及实验前装备的检查；
9.s2：加料：打开电源装置，启动循环水冷系统，打开锁紧装置，将已称量好的镁锂合金放入熔炼坩埚，盖好炉盖，锁紧炉体；
10.s3：抽真空：打开真空计，启动机械泵，把炉内抽至规定的真空状态；
11.s4：加热连铸坩埚：当炉体内达到指定真空度后，打开铸热电源，加热连铸坩埚，并控制连铸坩埚温度达到预设温度；
12.s5：熔炼：当连铸坩埚温度达到实验规定温度后，开启熔炼电源进行熔炼，使镁锂合金熔化并达到过热；
13.s6：倾倒：当熔炼坩埚内的熔体过热到一定温度后，压下控制杆，将合金熔体通过漏斗浇入其下方的连铸坩埚内进行进一步加热，加热至实验规定的保温温度；
14.s7：充入气体：当连铸坩埚内的熔体达到设定的保温温度后，关闭真空系统、隔离阀和真空计，打开进气阀，充入h2到指定压力，充气结束后关闭充气阀，然后在给定的过热度下保温一段时间；
15.s8：浇铸：熔体保温一段时间后，关闭熔炼电源，开启下拉机构，在设定的下拉速率下，连铸下拉杆逐渐脱离连铸坩埚底部被其堵塞的孔洞，金属熔体流入并在结晶器内凝固，连铸试样逐渐被拉制出，在试样拉制完成后，关闭装置电源及下拉机构；
16.s9：取样：当炉内温度降低至室温时，打开放气阀，卸掉炉内气体，打开炉盖，取出试样。
17.进一步的，所述s1中实验设备为gasar连铸法定向凝固装置，实验材料为镁锂合金、h2气体；所述gasar连铸定向凝固装置中的连铸结晶器的截面尺寸选用φ15mm。
18.进一步的，所述s3中真空状态的真空度为10-3
pa。
19.进一步的，所述s4中预设温度为700℃-800℃；浇铸所用的连铸坩埚预加热远大于合金熔点温度740℃。
20.进一步的，所述s6中过热的温度为580-650℃，保温温度为700-800℃。
21.进一步的，所述s7中的指定压力为0.1-1mpa，保温时间为10min。
22.进一步的，所述s8中设定的下拉速率为0.05-2mm/min。
23.本发明的有益效果是：
24.本发明可以通过控制下拉机构下拉速率和炉内氢气压力，以达到控制试样气孔率和气孔尺寸；
25.本发明可以改变连铸下拉杆的下降速率来控制凝固速度，且整个凝固过程中凝固速度可保持恒定不变；
26.本发明所制备出的规则多孔镁锂合金，其密度更低、比强度更高，具有良好的抗震降噪性、抗冲击性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明的实验设备-gasar连铸定向凝固装置；
29.图2为本发明的多规则孔镁锂合金试样的纵剖面图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.参阅图1至图2所示，一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金，其特征在于：所述规则多孔镁锂合金外型结构可根据实际应用调整，其内部气孔内壁光滑且沿凝固方向呈圆柱体形状定向分布于镁锂合金基体中；所述气孔分布均匀，气孔之间二维贯通，呈闭孔型，气孔尺寸为0.1-2.0mm，气孔率为5-70％。
33.实施例2
34.一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金及其制备方法，其特征在于：
35.s1：实验材料的准备及实验前装备的检查，实验设备为gasar连铸法定向凝固装置，实验材料为镁锂合金、h2气体；所述gasar连铸定向凝固装置中的连铸结晶器的截面尺寸选用φ15mm。
36.s2：加料：打开电源装置，启动循环水冷系统，打开锁紧装置，将已称量好的镁锂合金放入熔炼坩埚，盖好炉盖，锁紧炉体；
37.s3：抽真空：打开真空计，启动机械泵，把炉内抽至规定的真空状态，真空度为10-3
pa。
38.s4：加热连铸坩埚：当炉体内达到指定真空度后，打开铸热电源，加热连铸坩埚，并控制连铸坩埚温度达到预设温度700℃-800℃；浇铸所用的连铸坩埚预加热远大于合金熔点温度740℃；
39.s5：熔炼：当连铸坩埚温度达到实验规定温度后，开启熔炼电源进行熔炼，使镁锂合金熔化并达到过热；
40.s6：倾倒：当熔炼坩埚内的熔体过热到580-650℃后，压下控制杆，将合金熔体通过漏斗浇入其下方的连铸坩埚内进行进一步加热，加热至实验规定的保温温度700-800℃；
41.s7：充入气体：当连铸坩埚内的熔体达到设定的保温温度后，关闭真空系统、隔离阀和真空计，打开进气阀，充入h2到指定压力0.2mpa，充气结束后关闭充气阀，然后在给定的过热度下保温60min；
42.s8：浇铸：熔体保温一段时间后，关闭熔炼电源，开启下拉机构，在设定的下拉速率0.5mm/min下，连铸下拉杆逐渐脱离连铸坩埚底部被其堵塞的孔洞，金属熔体流入并在结晶器内凝固，连铸试样逐渐被拉制出，在试样拉制完成后，关闭装置电源及下拉机构；
43.s9：取样：当炉内温度降低至室温时，打开放气阀，卸掉炉内气体，打开炉盖，取出试样。
44.实施例3
45.本发明可以通过控制下拉机构下拉速率和炉内氢气压力，以达到控制试样气孔尺
寸；本发明可以改变连铸下拉杆的下降速率来控制凝固速度，且整个凝固过程中凝固数率可保持恒定不变；本发明所制备出的规则多孔镁锂合金，其密度更低、比强度更高，具有良好的抗震降噪性、抗冲击性。
46.实施例4
47.本实施例将采用5％、10％、15％锂含量、其余全部为镁分别进行实验。
48.1、锂含量为5％、其余全部为镁的镁锂合金，其实验如下：
49.将称取的镁、锂放入熔炼坩埚，盖紧炉盖，锁紧炉体。启动机械泵，对炉体内抽至10-3
pa的真空度。当炉体内真空度达到10-3
pa后，打开铸热电源，对铸热坩埚加热至650℃。当铸热坩埚加热至设定温度后，打开熔炼电源，使镁锂合金熔化并过热。当熔炼坩埚内的熔体过热后，将金属熔体通过漏斗浇入下方的连铸坩埚。打开充气阀，充入0.2mpa的h2气体，然后保温60分钟确保h2充分进入合金熔体。开启下拉机构，合金熔体流入并在结晶器内凝固。最后当炉体内温度降至室温后，打开放气阀，卸掉气体，取出试样，关闭水冷系统。
50.由实验得到的试样按照国标的标准，进行压缩试样的加工测试合金的室温力学性能。
51.该5％锂的镁锂合金的室温力学性能：
52.抗压强度：137.3mpa，密度：0.89g/cm3，比强度：154.27n.m/kg；
53.此时所制备的镁锂合金气孔密度：53％；气孔尺寸：0.6mm。
54.锂含量为5％的实心圆柱状镁锂合金，其抗压强度：152.2mpa，密度：1.45g/cm3，比强度：108.7n.m/kg
55.通过实验数据比较得知，与普通实心柱状镁锂合金相比，由gasar多孔定向凝固装置制备的规则多孔柱状镁锂合金，其密度降低了38.62％；比强度提升了41.92％。
56.2、锂含量为10％、其余全部为镁的镁锂合金，其实验如下：
57.将按比例称取的镁、锂放入熔炼坩埚，盖紧炉盖，锁紧炉体。启动机械泵，对炉体内抽至10-3
pa的真空度。当炉体内真空度达到10-3
pa后，打开铸热电源，对铸热坩埚加热至650℃。当铸热坩埚加热至设定温度后，打开熔炼电源，使镁锂合金熔化并过热。当熔炼坩埚内的溶体过热后，将金属熔体通过漏斗浇入下方的连铸坩埚。打开充气阀，充入0.2mpa的h2气体，然后保温60分钟确保h2充分进入合金熔体。开启下拉机构，合金熔体流入并在结晶器内凝固。最后当炉体内温度降至室温后，打开放气阀，卸掉气体，取出试样，关闭水冷系统。
58.由实验得到的试样按照国标的标准，进行压缩试样的加工测试合金的室温力学性能。
59.该10％锂的镁锂合金的室温力学性能：
60.抗压强度：135.85mpa，密度：0.80g/cm3，比强度：169.81n.m/kg
61.此时所制备的镁锂合金气孔密度：50％；气孔尺寸：0.52mm。
62.锂含量为10％的实心圆柱状镁锂合金，其抗压强度：156.7mpa，密度：1.40g/cm3，比强度：113.60n.m/kg
63.通过实验数据比较得知，与普通实心柱状镁锂合金相比，由gasar多孔定向凝固装置制备的规则多孔柱状镁锂合金，其密度降低了42.85％；比强度提高了49.48％。
64.3、锂含量为15％、其余全部为镁的镁锂合金，其实验如下：
65.将按比例称取的镁、锂放入熔炼坩埚，盖紧炉盖，锁紧炉体。启动机械泵，对炉体内
抽至10-3
pa的真空度。当炉体内真空度达到10-3
pa后，打开铸热电源，对铸热坩埚加热至600℃。当铸热坩埚加热至设定温度后，打开熔炼电源，使镁锂合金熔化并过热。当熔炼坩埚内的溶体过热后，将金属熔体通过漏斗浇入下方的连铸坩埚。打开充气阀，充入0.2mpa的h2气体，然后保温60分钟确保h2充分进入合金熔体。开启下拉机构，合金熔体流入并在结晶器内凝固。最后当炉体内温度降至室温后，打开放气阀，卸掉气体，取出试样，关闭水冷系统。
66.由实验得到的试样按照国标的标准，进行压缩试样的加工测试合金的室温力学性能。
67.该15％锂的镁锂合金的室温力学性能：
68.抗压强度：146.27mpa,密度：0.7g/cm3,比强度：208.96n.m/kg
69.此时所制备的镁锂合金气孔密度：46％；气孔尺寸：0.45mm。
70.锂含量为20％的实心圆柱状镁锂合金，其抗压强度：165.3mpa，密度：1.25g/cm3，比强度：132.2n.m/kg。
71.通过实验数据比较得知，与普通实心柱状镁锂合金相比，由gasar多孔定向凝固装置制备的规则多孔柱状镁锂合金，其密度降低了41.6％；比强度提高了51.57％。
72.实施例5
73.本实施例提供5％、10％、15％锂含量、其余全部为镁分别进行实验，充入的气体为0.6mpa，其它条件与实施例4中相同。
74.1、一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金，采用5％锂的镁锂合金提供的方法与实施例4中1相同，在制备过程中充入的气体为0.6mpa，其它条件相同。
75.该5％锂的镁锂合金的室温力学性能：
76.抗压强度：131.27mpa,密度：0.8g/cm3,比强度：164.09n.m/kg
77.此时所制备的镁锂合金气孔密度：42％；气孔尺寸：0.32mm。
78.2、一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金，采用10％锂的镁锂合金提供的方法与实施例4中2相同，在制备过程中充入的气体为0.6mpa，其它条件相同。
79.该10％锂的镁锂合金的室温力学性能：
80.抗压强度：126.27mpa,密度：0.72g/cm3,比强度：175.38n.m/kg
81.此时所制备的镁锂合金气孔密度：35％；气孔尺寸：0.26mm。
82.对比例3
83.3、一种低密度高比强度的规则多孔镁锂合金，采用15％锂的镁锂合金提供的方法与实施例4中3相同，在制备过程中充入的气体为0.6mpa，其它条件相同。
84.该15％锂的镁锂合金的室温力学性能：
85.抗压强度：133.42mpa,密度：0.63g/cm3,比强度：211.78n.m/kg
86.此时所制备的镁锂合金气孔密度：26％；气孔尺寸：0.20mm。
87.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
88.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽
叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。