镁锂合金(Mg-Li),超轻镁锂合金,镁锂超轻合金,变形镁锂超轻合金应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013-3-6,#,郑州轻金属研究院,轻金属材料研究所,镁锂合金介绍,镁锂合金介绍,-1,1,、镁锂合金概述,1.1,镁锂合金发展历程,1.2,镁锂合金特点,1.3,镁锂合金应用,2,、镁锂合金制备方法,2.1,真空熔炼制备镁锂合金,2.2,熔盐电解制备镁锂合金,2.3,镁锂合金的毒性及生产技术要求,3,、合金元素对镁锂合金的影响,3.1,铝元素的影响,3.2,锌元素的影响,3.3,硅元素的影响,3.4,铜元素的影响,3.5,锆元素的影响,3.6,稀土元素的影响,4,、,LA141,镁锂合金组织和性能,4.1 LA141,合金力学性能,4.2 LA141,合金的连接性能,4.3 LA141,合金的加工成型性能,1.1,镁锂合金发展历程,20,世纪初,德国科学家在研究锂、钠、钾与镁的相互作用时，意外发现了镁和锂之间可以发生有。趣的结构转变，为以后的镁锂合金研究提够了可靠依据。,20,世纪,40,年代,美国开发出,M113,型装甲运兵车用镁锂合金，研制出,LA141,合金并纳入航空材料标准,AMS4386,。,20,世纪,60-80,年代,苏联科学院开发出,MA21,，,MA18,镁锂合金，并成功应用于航天飞机和宇宙飞船上。,1.2,镁锂合金特点,Mg-Li,超轻：密度,1.3-1.65g/cm3,高的比强度比刚度。,焊接性能优良：只需本体材料即可达到预期焊接性能。,抗腐蚀性能：表面氧化膜比一般镁合金氧化镁致密。,加工变形性能好：常温下即可轧制成薄板，并可进行超塑性成形。,1.3,镁锂合金应用,由于镁锂合金比铝轻一倍，比标准镁合金轻,1/4-1/3,，在航空航天领域应用镁锂合金可以将质量降低,20%-30%,（如表,1,所示），能够大幅度降低飞行成本，航天器飞行能力也大幅度提高。,零件名称,AZ31B,LA141,减少质量比例,/%,雷达反射罩,586,447,25,电子仪器保护盖,9.5,7.3,23,电话外壳,712.8,521.4,27,表,1 AZ31B,与,LA141,组成合金零件质量 （单位：,g,）,由于镁锂合金特殊的物理性能以及其作为超轻材料的性质，可以开拓出更多的应用领域，如笔记本电脑外壳、手机外壳以及扬声器振膜、仪器仪表壳体等。图,1,是郑州轻金属研究院轻金属材料研究所开发出的镁锂合金材质的笔记本外壳和手机外壳。,1.3,镁锂合金应用,图,1,镁锂合金笔记本外壳和手机外壳,2,、镁锂合金制备方法,2.1,真空熔炼制备镁锂合金,2.1.1,真空感应熔炼制备镁锂合金,真空脱气作用：真空熔炼活泼金属，达到充分去除,H2,、,N2,、,O2,的目的。金属的脱气，可提高金属的塑性和强度，真空度愈高，温度愈高，脱气时间愈长，有利于金属的脱气。,真空熔炼优点,防止氧化作用：在真空中加热不仅使金属本身不氧化，而且使原来已氧化的金属进行还原分解,脱脂作用：附着在原料上的油脂（碳、氢、氧化物等），在真空中加热时被挥发或分解，随即被真空泵抽走。,真空感应熔炼工艺：熔炼炉预先抽真空，充入氩气使其在惰性气氛中制备铸锭，,熔炼设备为带阀门控制的密封感应炉，有密封的结晶器或是氩气保护装置组成。,为了防止燃烧，不能使用二氧化硫灭火，因为金属锂能够与二氧化硫发生反应,生成硫和氧气，使燃烧更剧烈。,熔盐电解过程中应用最为广泛的熔盐是熔融氯化物，其价格便宜，腐蚀性适中，熔点比氯化物低。金属锂的电解过程中，较常用的熔盐体系是,LiCl+KCl,低共熔体系，其最低共熔点组成（摩尔分数）为,59%LiCl,和,41%KCl,，熔点为,352,。工作电位范围为,3.62V,，负端有,Li,阴极沉积的电位决定，正端由,Cl2,阳极析出的电位决定。,熔盐电解过程注意事项：,1,、原料的干燥：保证电解使用盐类不能含有水分。,2,、电解槽设计：镁锂合金在电解温度以上时很容易氧化甚至自燃，所以阴极室要有氩气保护。,3,、氯气吸收系统：实验室一般用工业烧碱配制成,4mol/L,的吸收液吸收。,2.1,真空熔炼制备镁锂合金,2.1.2,熔盐电解制备镁锂合金,人体大量吸收氧化镁烟雾或引起呼吸困难，麻痹神经末梢，可能引起呕吐。纯净干燥的镁粉燃烧温度为,420-440,，湿的镁粉在,360,燃烧，干燥的镁和镁合金屑在,400-450,燃烧，在小的、封闭的和导热不良的空间镁粉和镁屑遇到湿气的情况下可以自燃。,锂与镁一样，在固态是不挥发，在,640,空气中锂可以自燃，液态锂被氮化形成含氮的锂化物，这类化合物在,200,左右可以发生自燃，锂和水接触时会发生自燃，在潮湿空气中操作金属锂属于危险,-,爆炸等级，锂在燃烧时产生氮化物浓烟，形成锂及其化合物的凝聚现象，这种烟雾对呼吸器官危害很大。锂具有强烈的碱性性质，空气中大量的锂化合物会对呼吸道产生危害，锂能损坏食道、中枢神经和呼吸器官。锂的燃烧具有强烈的破坏作用，引起眼睛和呼吸道粘膜疾病，甚至中毒。为了防止呼吸器官受到锂及其化合物颗粒的危害，必须佩戴防毒面具。,2.3,镁锂合金的毒性及生产技术要求,在工业生产条件下，镁锂合金铸件及其加工件的自燃温度为,330-350,，和镁合金的区别是镁锂合金在固态时能够燃烧，这些主要和锂的自燃及其氧化产物有关。因此镁锂合金的燃烧温度极限以及加工温度不能高于,320,。但是镁锂合金相对于镁合金来说其氧化镁比较致密，常温下其抗腐蚀性能高于大部分镁合金。,郑州轻金属研究院轻金属材料研究所所生产大规格镁锂合金铸锭（如图,2,）及其加工材在车间内放置半年以上不存在明显腐蚀现象，由于普通镁合金抗腐蚀性能。,2.3,镁锂合金的毒性及生产技术要求,图,2,实际生产镁锂合金铸锭,二元镁锂合金力学性能很差，不能作为结构材料应用于工业领域。在镁锂基合金中加入适量的合金元素，可以明显提高合金的各项性能。加入到镁锂合金中的合金元素主要有三类：,1,）固溶度较大的元素，如,Ag,Cd,Zn,Al,In,Tl,等；,2,）固溶度较小的元素，如,Ni,，,Co,Cu,Ca,Ce,Si,Sb,Bi,等；,3,）固溶度很小的元素，如,K,，,B,，,Cr,，,W,，,V,Ti,，,Zr,，,Fe,，,Mn,等。,第一类元素的强化效果好，但合金的组织及性能稳定性较差。在室温下或稍高于室温条件下易产生过时效现象；第三类合金元素的强化效果较小，但组织及性能稳定性好，目前为止，研究较多是第一类合金元素。,3,、合金元素对镁锂合金的影响,在,Mg-Li-Al,系合金中，铝含量一般低于,5%-6%,其金属间化合物主要是,Mg17Al12,、,MgLi2Al,等，这些化合物在合金中起到强化作用。有研究表明，金属,Li,含量高的镁锂合金易发生过时效现象，时效存在这样一个过程：,MgLi2AlAlLi,。亚稳相,MgLi2Al,转变为,AlLi,因此过时效是镁锂合金性能不稳定的主要因素。研究工业牌号,LA141,在高于室温条件下，强度会降低，在,90-150,时的强度大约是室温强度的,50%,。,当镁锂合金中锂的含量不一样时，铝对合金的影响也不一样，当铝含量达到,3%,以上时，铝除了固溶于合金基体内，还将出现,AlLi,相。随着铝含量的增加，镁锂合金的外缩孔减少，对于锂含量小于,14%,的镁锂合金，铝含量越高，合金的气孔越多，对于锂含量大于,16%,的合金，铝的添加有利于减少合金的气孔。,3.1,铝元素的影响,Zn,的熔点（,419,）较低，与镁的晶体结构（,hcp,）相同，与镁的原子半径差别不大，可以与镁形成连续固溶体。,Zn,在镁中的固溶度（最大约,6.2%,）随温度降低而减小，从而形成时效强化。,Zn,能提高合金的应力腐蚀敏感性，从而提高合金的疲劳极限，但,Zn,的加入使合金的密度增大，加入量不宜过大。,Zn,具有和,Al,类似的作用效果，即随,Zn,含量的增加，合金的强度提高，而塑性下降，不同的是单位质量的强化效果比,Al,差，若要达到相同的强化效果需要加入更多地,Zn,，,Mg-Li-Zn,合金中生成,*相（,MgLi2Zn,），经过时效处理之后,*相发生粗化，形成稳定的,相（,MgLiZn,）。,在镁锂合金的合金化过程中，一般把,Al,与,Zn,同时作为合金化元素加入，这样可以充分发挥,Al,和,Zn,的各自优势。,3.2,锌元素的影响,Si,可以提高镁锂合金的高温强度和蠕变性能，加入,Si,元素后，合金的组织中出现高熔点的,Mg2Si,相，这种相的熔点较高（为,1085,），硬度较高（为,460HV,），它是提高镁锂合金耐热性的主要因素。,Si,在,Li,液中的溶解度很小，其固溶度更小，主要以化合物的形式存在。美国曾研制了,Mg-14Li-(0.5-1)Si,耐热合金，并将该合金用于航天器铸件。,3.3,硅元素的影响,3.4,铜元素的影响,Cu,在镁中的固溶度很小，而,Li,与,Cu,几乎不互溶，所以,Cu,固溶在,Mg-Li,合金中的量很低。,Cu,可以使共晶合金（,Mg-8Li,）的,相的长宽比增大的倾向，,Cu,加入量较低时具有好的强化效果，而且塑性降低很少；,Cu,含量较高时（大于,3%,），强度增加不多，而塑性显著降低，故一般认为,Cu,的加入量为,1-1.5%,。,Zr,是很多合金的晶粒细化剂，而,Zr,对镁锂合金也具有极为显著的经理细化作用，改善铸态组织从而提高合金的力学性能。,Zr,与,Mg,具有相同的密排六方晶体结构，且二者点阵错配度很小，在熔体中含有熔点很高的,-Zr,弥散质点可以起到异质形核的作用，,Zr,还能减缓合金元素的扩散速率，组织晶粒长大。当,Zr,的加入量较大时，由于对元素的扩散阻碍作用，在一定程度上会影响合金的均匀化效果，合金中的枝晶组织和合金元素在晶界上的富集相未完全溶解，均匀化不充分，使合金的塑性和强度有所降低。,3.5,锆元素的影响,稀土元素（,RE,）加入镁锂合金，通过固溶强化和形成细小弥散的金属间化合物提高其综合性能，并可提高析出相的热稳定性，改善合金在较高温度下的力学性能，加入,RE,还可以提高合金的再结晶温度，并促使镁锂合金的时效强化。稀土在镁锂合金中的溶解度较小，能与镁形成多种金属间化合物，表,2,为镁和稀土元素的原子半径和电负性。,3.6,稀土元素的影响,元素符号,原子半径,/nm,与镁原子半径差,/%,电负性,Mg,0.160,0,1.31,La,0.188,17.3,1.10,Ce,0.183,14,1.12,Pr,0.183,14.3,1.13,Nd,0.182,13.8,1.14,Y,0.182,12.6,1.22,Gd,0.178,12.6,1.20,Sc,0.165,2.6,1.36,Er,0.174,9.8,1.24,表,2,镁和稀土元素的原子半径和电负性,Ce,在,Mg-Li-Al,三元合金中主要以,Al2Ce,相的形式存在，在,LA81,合金中添加少量的,Ce,后，合金内,Al2Ce,相呈棒状均匀分布，,Al2Ce,分布在晶界附近起到钉扎作用，是合金的断裂方式由沿晶断裂转变为解理断裂，还能在,150,时有效组织晶界滑移，从而提高合金的耐热性。当,Ce,含量大于,0.6%,时，,Al2Ce,相割裂基体，从而降低合金的力学性能。,在高,Y,含量的镁锂合金中，将形成,相（,Mg24Y5,），在,Mg-8Li Y,合金中，合金内部除了存在长条状分布与基体,相中的,相外，还存在沿晶界分布且呈网状结构的,相（,Mg24Y5,），使合金在淬火处理过程中随着淬火温度升高合金的硬度和强度也随之升高,3.6,稀土元素的影响,混合稀土价格比单一稀土便宜很多，用混合稀土对镁锂合金进行合金化更加具有工业应用价值，因此，混合稀土对镁锂合金的合金化研究受到了广泛的重视。在合金内添加,1%,和,2%,的混合稀土后，对镁锂合金的晶粒尺寸有细化作用；当稀土含量较高时，稀土还与镁形成稀土化合物，这使得合金的延伸率下降。此外，由于稀土与镁结合形成金属间化合物，消耗了一定量的镁，从而降低了合金内部的镁锂比，使得合金基体内部,相比例减少，强化效果减弱，导致合金的强度下降；另外稀土化合物的形成，使得合金的高温热稳定性提高。,3.6,稀土元素的影响,LA141,是典型的商用镁锂合金，它的密度大约比传统的镁合金低,25%,，轻如塑料，但具有刚性和韧性。由于,LA141,合金的轻质高强特点，使得其在航空航天领域的金属材料中具有相当大的吸引力，表,3,为,LA141,商用镁锂合金、铝合金（,6061-T4,、,6061-T6,）、传统镁合金（,AZ31B,）和玻璃纤维增强塑料主要性能指标。,轻金属材料研究所目前可以生产各种规格的镁锂合金板材（厚度大于,0.2mm,，宽度小于,600mm,）及型材（如图,3,）。,4,、,LA141,镁锂合金组织和性能,图,3,镁锂合金板材,性能,LA141-T7,铝合金,传统镁合金,玻璃纤维增强塑料,6061-T4,6061-T6,AZ31B-O,AZ31B-H,抗拉强度,/MPa,144.69,241.15,310.05,254.93,289.38,551.2,比抗拉强度,/,*,105cm,105.3,87.21,112.12,141.14,165.21,250.08,屈服强度,/MPa,124.14,144.82,275.86,151.72,220.68,比屈服强度,/,*,105cm,90.12,52.37,93.25,84.00,15.47,弹性模量,/GPa,42.1,68.9,68.9,44.8,44.8,27.6,伸长率,/%,24,22,12,21,15,密度,/g/cm3,1.35,2.71,2.71,1.77,1.77,2.16,表,3,几种航天材料对比,变形态镁锂合金的室温强度接近于,M1A,镁合金板材或低强度铝合金（,5052-O,），然而，铸态镁锂合金的强度明显低于传统商用镁合金和通过砂型铸造获得的铝合金。表,4,为不同温度条件下,LA141,合金的力学性能。,4.1 LA141,合金力学性能,温度,/,抗拉强度,/MPa,屈服强度,/MPa,伸长率,/%,室温,131.04,103.45,12,65,82.76,62.07,15,95,55.17,41.38,20,120,41.38,27.59,25,表,4 LA141,合金不同温度下力学性能,镁锂合金很容易实现熔焊、电阻焊以及黏结等连接方式。,1,、熔焊：镁锂合金通过普通熔焊即可实现很好的焊接，焊接效率高，焊接裂纹等缺陷少，合金板可焊接厚度范围为,1-3mm,。在焊接过程中镁锂合金一般无需预热，但在焊接后存在应力，需要进行焊后退火处理（,120-175,）。,2,、电阻焊：焊接镁锂合金时可以像焊接其他镁锂合金一样，采用电焊设备，但在焊接前要对试件表面清理，由于镁锂合金表面化学活性高，一般建议焊接前对合金进行表面涂层加工。对,LA141,镁锂合金电焊后必须进行去应力退火处理，否则焊接件会产生裂纹。,3,、黏结连接：镁锂合金可用常用的黏结材料方法进行连接，无论是对涂层加工或是无图层加工的镁锂合金，均可以获得良好的黏结剂，但对于镁锂合金的黏结效果，合金在黏结前的表面状态起主要作用。,4.2 LA141,合金的连接性能,由于金属锂的加入，使得镁锂合金更容易加工成型，即使在室温条件下也可以进行加工。目前轻金属材料研究所可以对各种尺寸的,LA141,镁锂合金进行板材、棒材铸件、挤压件、轧制板材以及锻造镁锂合金的生产，图,4,为我所冲压生产出的镁锂合金工件。,LA141,同样具有好的冷加工成型性能（车、铣、锯切、磨削、切割等），在对镁锂合金加工时需采用冷却和润滑剂，而且冷却液和润滑剂要求使用非水溶性的矿物油，对于切割和锯切过程，矿物油或煤油均可作为冷却剂和润滑剂。,4.3 LA141,合金的加工成型性能,图,4 LA141,镁锂合金工件,郑州轻金属研究院,轻金属材料研究所,谢,谢,