超輕超塑性鋰鎂合金的制備及性能研究.pdf

1、鎂鋰合金作為最輕的金屬結(jié)構材料，已經(jīng)成為輕質(zhì)合金領域的研究熱點之一，超輕特性使得其在航空航天、武器裝備、3C產(chǎn)業(yè)、船舶工業(yè)、核能應用等方面具有很好的應用前景。隨著鎂鋰合金應用的不斷深入，特別是涉及復雜構件(如儀表面板、復雜支架等)時，其加工成型方式已經(jīng)成為直接影響其應用推廣的因素之一，超塑成型是制造鎂鋰合金構件的重要成型方式，其具有傳統(tǒng)塑性加工不可比擬的優(yōu)勢。超塑性鎂鋰合金的制備，目前大多數(shù)采用往復軋制的方式，以獲得具有超塑性的細晶組織

2、，這種加工方式易造成材料內(nèi)部嚴重的織構，極大地影響鎂鋰合金的后續(xù)加工和使用。常規(guī)擠壓同樣能夠細化合金組織，通過一定的工藝，滿足超塑性對組織的要求，但目前這方面的研究還較少。
　　 本文首先通過實驗研究了具有不同相組成的鎂鋰合金的高溫性能，而后對Mg-8Li合金進行了合金化和變形加工的研究。在此基礎上，對Mg-8Li和Mg-8Li-2Zn(LZ82)合金進行了不同程度的擠壓變形，研究了其超塑性特征，并對最佳變形條件時的空洞行為進行

3、了分析，為鎂鋰合金的應用擴展提供了一定的理論基礎。
　　 室溫下，鎂鋰合金的硬度隨鋰含量的增加而降低，當β相的體積分數(shù)達到一定量后，硬度的下降趨勢變緩慢；α相、α+β相、β相三種合金的強度-溫度曲線以及延伸率-溫度曲線均可分為三個階段，每種合金在不同階段的變化趨勢不相同；α相和β相體積分數(shù)相當?shù)暮辖?，如Mg-8Li合金，其強度隨溫度變化不大，適宜在較低溫度(低于423K)下使用；對于β相合金，在高溫拉伸時發(fā)生嚴重頸縮；Mg-6L

4、i-3.5Al-1Zn-1Ce-0.5Sn合金在473K是仍具有較高的強度(151.53MPa)。
　　 合金化和變形加工均能改善鎂鋰合金組織，提高合金性能。鑄態(tài)Mg-8Li合金由α-Mg相和β-Li相組成，組織粗大。添加Zn和Y或Ce后，合金組織得到細化。Mg-8Li-2Zn-0.5Ce合金中生成Zn2Ce化合物，Mg-8Li-2Zn-0.5Y合金中生成顆粒狀的Mg6Y化合物，合金化使Mg-8Li合金的抗拉強度得到明顯提高，但

5、在Mg-8Li-2Zn-0.5Ce中，由于Zn2Ce以網(wǎng)狀形式存在于晶界處，導致合金延伸率下降。軋制變形能細化鑄態(tài)合金組織，提高合金的力學性能。特別是對于Mg-8Li-2Zn-0.5Ce合金，鑄態(tài)時的網(wǎng)狀化合物Zn2Ce在軋制過程中被破碎成顆粒狀，較均勻地分布于基體內(nèi)，使合金的塑性得到大幅度提高。Mg-8Li合金經(jīng)過擠壓變形后，α-Mg相以及β-Li相呈纖維狀，沿擠壓方向交替分布。與鑄態(tài)合金相比，擠壓變形后合金的抗拉強度和延伸率都得到了

6、較大提高，擠壓變形對延伸率的影響比對抗拉強度的影響大。
　　 經(jīng)過常規(guī)一道次擠壓的Mg-8Li合金在溫度為563K、初始應變速率為5×10-5S-1的條件下得到164.5％的延伸率，一道次擠壓Mg-8Li-2Zn合金在溫度為563K、初始應變速率為1.5×10-4S-1的條件下得到228%的延伸率，均表現(xiàn)出超塑性。在超塑性拉伸過程中，流變應力隨著溫度的升高或初始應變速率的降低而減小。
　　 經(jīng)過兩次常規(guī)擠壓，即兩道次擠壓

7、，實現(xiàn)大擠壓比變形，LZ82鎂鋰合金的組織得到進一步細化，兩相分布均勻，平均晶粒尺寸小于10μm；兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金在溫度為563K、初始應變速率為1.5×10-4s-1的條件下具有最大的延伸率758%，表現(xiàn)出良好的超塑性，該條件下的應變速率敏感系數(shù)m=0.55，變形激活能Q=90kJ/mol。兩道次擠壓LZ82合金經(jīng)過473K×2h的退火后，晶粒尺寸沒有發(fā)生明顯變化，但晶粒的等軸度增加，β相發(fā)生了聚集，退火前存在較多的島狀或半

8、島狀的β相減少；擠壓退火LZ82鎂鋰合金在溫度為623K、初始應變速率為1×10-2S-1的條件下得到279%的延伸率，在初始應變速率為1×10-1s-1時，延伸率仍大于100%，表現(xiàn)出較好的高應變速率超塑性；最佳變形條件下的變形激活能Q=89.4kj/mol。兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金經(jīng)過進一步溫軋，晶粒明顯細化，但尺寸不均勻；擠壓軋制LZ82鎂鋰合金在溫度為498K、初始應變速率為1.6x10-4s-1的條件下得到430%的延伸率，

9、當溫度為423K時，延伸率仍大于100%，表現(xiàn)出良好的低溫超塑性；最佳變形條件下的應變速率敏感系數(shù)m=0.55，變形激活能Q=99.24 kJ/mol，拉伸變形后，合金內(nèi)α相和β相發(fā)生等軸變化，晶粒發(fā)生球化，晶界圓弧化。應變速率敏感系數(shù)和變形激活能的計算以及拉伸變形后合金顯微組織的變化都表明兩道次擠壓LZ82鎂鋰合金超塑性變形的主要機制是晶界擴散控制的晶界滑移。
　　 LZ82鎂鋰合金在超塑性變形過程中形成空洞，且空洞的數(shù)量和尺

10、寸隨溫度的升高或應變速率的降低以及應變的增加而增加。空洞主要在三角晶界處形成，形狀以○形為主，其主要形核機制為空位擴散機制；空洞的形核是連續(xù)的，貫穿于整個變形過程。在不同的變形階段，空洞的長大控制機制是不同的，在變形初期，長大由擴散機制控制，隨著應變的增加，空洞的長大機制逐漸由擴散控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛煽斩粗車牧系乃苄宰冃慰刂啤？斩吹倪B接和長大是導致合金材料斷裂的主要原因之一。選用空洞體積分數(shù)fv作為超塑性變形損傷變量測定值，基于連續(xù)損傷力學，