退火对LA141镁-锂合金板材显微组织与力学性能的影响
刘旭贺,肖 阳,王军武,解海涛
【摘 要】摘要:采用真空感应熔炼方法制备了LA141(Mg-14Li-1Al)超轻镁-锂合金,并通过挤压和轧制变形制备了0.8 mm厚的板材,轧制压下率达到90%以上。对轧制板材进行了两种工艺退火,通过OM、XRD、SEM等手段观察热处理前后轧板的显微组织,通过拉伸试验和硬度测试测定退火前后的力学性能。结果表明,温轧的方法有利于制备出宽幅薄板,且成品率较高;温轧LA141镁-锂合金薄板材具有较高的塑性;退火后,细晶强化作用和析出强化作用使合金的强度增加,但伸长率有所下降;225℃2 h退火后,合金具有较好的综合性能。 【期刊名称】轻合金加工技术 【年(卷),期】2015(043)005 【总页数】6
【关键词】关键词:镁-锂合金;退火;显微组织;力学性能
镁合金是21世纪绿色金属材料,具有低密度、高比强度、高比刚度,并且可以回收利用。但由于镁的密排六方结构,导致镁合金的塑性变形能力较差[1]。将锂元素作为主要合金化元素添加到镁合金中,制备出镁-锂合金,镁-锂合金是最轻的金属结构材料,密度约1.3 g/cm3~1.6 g/cm3。锂的加入,不仅进一步降低了镁合金的密度,而且能够减小密排六方结构的轴比c/a值,大大提高合金的塑性变形能力。镁-锂合金不但具备镁合金的材料特性,还具有良好的冷加工性能、电磁屏蔽性能、减震性能以及导热性能,在航空航天、武器装备、交通运输以及3C产业等领域具有巨大的应用潜力[2]。
根据镁-锂二元相图,当镁-锂合金中w(Li)<5.7%时,合金属于α相,HCP晶
体结构;当w(Li)>10.3%时,属于β相,BCC晶体结构,具有良好的室温塑性及加工特性;当w(Li)=5.7%~10.3%之间,则属于α+β双相合金,具有良好的综合性能。美国和苏联曾对镁-锂合金进行过大量研究,开发出了各自的商业镁-锂合金,如 MA21、MA18、LA141、LA91 等[4-5]。
镁-锂二元合金强度低,耐腐蚀性能差,一般通过合金化的方式予以增强。铝的密度与镁的相差不大,作为合金化元素添加到合金中对合金密度没有很大影响。同时,铝在镁中有较大的固溶度,具有很好的固溶强化效果[6-7]。美国相关研究机构利用铝的这些特点研制出了LA141超轻镁-锂合金。LA141镁-锂合金是美国陆军导弹部与Battelle研究所合作研制的一种超轻合金,成分为Mg-14Li-1Al,密度为1.35 g/cm3,美国公布的LA141镁-锂合金的典型抗拉强度为130 N/mm2,屈服强度为103 N/mm2,伸长率为12%,弹性模量为42.7 GPa。LA141镁-锂合金曾被用于航天飞机及宇宙飞船的零部件[8]。常见的LA141镁-锂合金的多以铸锭或者锻件的形式供应,而且其力学性能较低。而用量日益增长的3C产业,其需求一般为板材,特别是厚度小于1 mm的薄板,且要求具有较高的强度和伸长率(>20%)。
轧制是生产板材的主要方式,铸锭直接进行轧制得到的板材一般具有明显的各向异性,不利于后续的加工成形。因此,本试验采用先挤压后轧制的方法[9]。经过挤压的合金一般具有完全再结晶的组织,有利于轧制的顺利进行。另外,由于镁的化学性质比较活泼,如果温度过高,会使镁-锂合金表面氧化[10-11],不利于控制轧板的板形,因此采用温轧的方式。冯林平等[12]通过研究发现,轧制后的β相镁-锂合金经过时效后,具有较高的强度和比强度。因此,为了满足市场对镁-锂合金的需求,通过挤压和温轧制备了LA141镁-锂合金薄
板,并对板材进行了热处理,以期得到超轻与高强高塑同时具备的合金。
1 试验过程
试验合金为LA141镁-锂合金,成分为Mg-14Li-1Al,原料为纯镁锭(纯度大于99.95%),纯锂锭(纯度大于99.7%)以及纯铝锭(纯度大于99.7%)。采用75 kg真空感应炉进行熔炼,选用铸铁坩埚、低碳钢模具,高纯氩气进行保护。金属融化并静置后,浇铸进圆形模具中,浇铸温度为730℃~750℃,得到直径为250 mm的铸锭。
铸锭经过车削加工去除表面氧化皮后,在25 MN卧式挤压机上进行挤压变形,铸锭预热温度200℃,挤压筒预热温度 200℃,模具预热温度300℃,挤出板材横截面尺寸为320 mm×14 mm,挤压比约为11。挤压板材采用二辊轧机进行温轧,板材预热温度为230℃,轧辊预热温度约为200℃,单道次压下量约为15%,轧制得到0.8 mm(厚)×350 mm(宽)的薄板,总压下量约为94%。轧板采用225℃2 h、175℃1 h两种工艺进行退火。
按照取样、粗磨、抛光、浸蚀等步骤进行金相试样的制备。先后用120#、600#、1500#和2000#水砂纸粗磨,在抛光机上进行抛光,采用Cr2O3悬浊液做抛光液,抛光至表面无明显划痕。采用2 g苦味酸+5 mL乙酸+95 mL酒精的混合溶液作为浸蚀剂,浸蚀时间为20 s~30 s,侵蚀后迅速用酒精冲洗,吹风机吹干,在LEICA DM4000M光学显微镜上进行显微组织观察并照相。采用X,pert Pro X-衍射分析仪对不同状态的合金进行物相分析,扫描角度20°~80°,扫描速度10°/min。
按照ASTM E8标准进行拉伸试验的加工并进行拉伸力学性能的测试,拉伸试样形状及尺寸如图1所示。进行拉伸测试前,拉伸试样表面用1500#水砂纸进
退火对LA141镁-锂合金板材显微组织与力学性能的影响
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