鎂鋰合金的熔鑄工藝

鎂鋰合金的熔鑄工藝

1mg-li基合金的來源該合金具有高信噪比和比彈性強(qiáng)度、良好的振動性能和較高的抗高速顆粒滲透性和耐焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，且能焊接。焊接強(qiáng)度可達(dá)到金屬根本性強(qiáng)度的90%。目前已有研究表明,Mg-Li合金可用于加工密度小于1g/cm3、在低溫下具有高強(qiáng)度和高斷裂韌性的材料,因而受到航空航天及兵器工業(yè)部門的廣泛重視。美國于20世紀(jì)40年代初期開始研究Mg-Li合金,由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平所限,以及這種合金本身的弱點(diǎn)和生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性,并沒有獲得實(shí)用性成果。進(jìn)人60年代后,美國NASA中心為了制造航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星及發(fā)射火箭,對Mg-Li合金進(jìn)行了大量的研究工作,研制開發(fā)出LA141A(Mg-14Li-lAI)、LA91(Mg-9Li-lAl)、LAZ933A(Mg-9Li-3A1-3Zn)、Mg-14Li-0.5Si、Mg-14Li-3Mg-5Zn-2Si等Mg-Li基合金,某些合金已應(yīng)用于宇航、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的零部件。進(jìn)人80年代后,隨著航天航空及現(xiàn)代武器的快速發(fā)展,對具有高比強(qiáng)度和高比彈性模量的材料要求越來越多,Mg-Li基合金的研究開發(fā)工作得到迅猛發(fā)展。鎂鋰合金生產(chǎn)與其他常規(guī)合金生產(chǎn)的主要差別在于熔鑄工藝的不同,主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:①熔體保護(hù)極其困難。合金中的鎂和鋰極易與空氣中的氧氣和水汽等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氧化燒損;②原輔材料及爐襯材料的選用很苛刻。鋰能與爐襯材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)置換出雜質(zhì)元素,因此為保證合金的純潔度必須選用高純原輔材料和適當(dāng)?shù)哪突鸩牧?③鎂鋰合金的氫含量控制非常困難,因而其氫含量比一般鋁合金高出許多;④鎂鋰合金的鑄造非常危險(xiǎn)和困難。鎂鋰合金熔體直接與水接觸會發(fā)生爆炸,而且由于熔體的表面張力小,鑄造時(shí)氧化膜在結(jié)晶器壁與結(jié)晶凝殼之間的塞積容易導(dǎo)致漏流而無法連續(xù)鑄造。因此,在鎂鋰合金的熔鑄過程中要嚴(yán)格控制工藝條件,以保證得到合格的產(chǎn)品。2鎂鋰的基本特征鎂的原子序數(shù)為12,具有密排六方晶體結(jié)構(gòu),熔點(diǎn)651℃;鋰是最輕的金屬元素,具有體心立方結(jié)構(gòu),熔點(diǎn)180℃。鎂鋰合金可形成以鎂為基的α相、以鋰為基的β相以及α+β兩相組織(圖1)。其中,α相是鋰固溶于鎂中形成的鎂基固溶體,其晶體結(jié)構(gòu)與鎂一致,具有密排六方晶體結(jié)構(gòu),滑移系少,不易塑性變形。鋰在鎂中的最大固溶度為5.7%,而且不隨溫度變化。當(dāng)鋰含量大于10.3%時(shí),組織為β單相。β相是鎂固溶于鋰中形成的具有體心立方結(jié)構(gòu)的固溶體,滑移面多,塑性好,可明顯改善鎂鋰合金的壓延性能。鎂在鋰中的最大固溶度為89.7%,也不隨溫度變化。當(dāng)鋰含量大于5.7%且小于10.3%時(shí),Mg-Li合金具有α+β兩相組織。鎂鋰合金的主要合金化元素是鋁、鋅、錳。俄羅斯的鎂鋰合金還添加有少量的銫。MA21合金含有4%～5%的鎘。向鎂中加入鋰可顯著提高合金的塑性,使加工溫度降低為150～300℃,提高變形速度及變形率。MA21和MA18合金的擠壓速度可達(dá)100m/min;以β相為基的MA18和LA141A合金的工藝塑性不亞于大多數(shù)低合金化的鋁合金,大大高于常規(guī)鎂合金,其擠壓和冷鐓變形率可達(dá)50%以上。簡單形狀的板狀零件可采用冷沖壓的方法生產(chǎn),而加工復(fù)雜形狀的零件時(shí)需將模具加熱到100～200℃。3采用鎂、李金材料生產(chǎn)工藝3.1熔劑與堿的配合主要原料為純鎂錠(w(Mg)>99.9%)和高純鋰錠(w(Li)>99.9%)。溶劑為化學(xué)純的LiCl與LiF混合熔劑(75%LiCl+25%LiF),嚴(yán)格控制鈉、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.5×10-6%以下,熔劑用量為爐料金屬質(zhì)量的20%～25%。也可添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的LiBr粉末使熔劑稠化,或添加15%～20%的CaF2加大熔劑粘性。3.2鑄造模的制備熔煉設(shè)備包括感應(yīng)爐/坩堝爐、靜置爐、鑄造機(jī)等。為減小熔體與大氣的接觸面積,宜采用口徑小高度大的坩堝進(jìn)行熔化。考慮到鐵和熔體不起反應(yīng),可采用高徑比為3:1的鐵制坩堝,在感應(yīng)電爐或方形電阻爐內(nèi)熔煉。鑄模采用內(nèi)腔尺寸為100×200×30mm的對開式銅模,內(nèi)通循環(huán)水。為了防止合金熔體氧化,采用氬氣保護(hù)。氬氣經(jīng)氬氣瓶、壓力表、連通軟管、通氣罩等送入到熔體表面,流量為2～3mL/min。3.3鑄造時(shí)結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體的保護(hù)Mg-Li合金的熔鑄工藝過程:金屬鎂熔化→加金屬鋰→成分調(diào)整→攪拌、扒渣→氬氣精煉→靜置→(成分調(diào)整)→鑄造。熔煉時(shí)首先須將與熔體接觸的工具烘干,然后將電阻爐升溫到720℃;再將鋁箔包好的混合熔劑放入鐵制坩堝中熔化,同時(shí)將氬氣經(jīng)導(dǎo)管吹入坩堝開口處以隔絕空氣;待熔劑熔化后加入碎塊,沉入熔劑之下;鎂塊熔化后,在氬氣保護(hù)下取出坩堝,降溫到650～660℃,用鐵制壓罩將鋁箔包的高純鋰壓人鎂液中,待熔化后提出壓罩,然后放回爐中加熱到710℃;靜置10min后,在氬氣保護(hù)下扒渣,以保持熔體的潔凈;然后在帶有Ar氣保護(hù)蓋的對開銅模中澆鑄成錠,澆注時(shí)要盡量避免熔液飛濺。由于嚴(yán)格控制鎂和鋰的熔化溫度,并采用氬氣保護(hù)防止鋰、鎂氧化,整個(gè)熔鑄過程可在無氧化、燃燒現(xiàn)象的情況下順利完成。由于金屬鋰比較活潑,熔點(diǎn)僅為180℃,因此應(yīng)盡量降低其熔化溫度,減少鋰損失;而鎂熔點(diǎn)為650～660℃,試驗(yàn)證明在這一溫度下加鋰是可行的。鑄錠須進(jìn)行均勻化處理,二元合金為300℃×24h,三元及三元以上合金為300℃×36h;然后將鑄錠各面刨去2～3mm;鑄錠經(jīng)適當(dāng)加熱后,可在帶有軋輥加熱(輥溫80～100℃)裝置的二輥軋機(jī)上軋制成1～2mm厚的板材。在熔煉過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng):①熔煉時(shí)應(yīng)按裝料原則將除鋰之外的原料順序加入坩堝中,當(dāng)爐料完全熔化后,可用渣勺扒去熔體表面的氧化浮渣,并向感應(yīng)爐充人少量氬氣,準(zhǔn)備加入金屬鋰;加金屬鋰時(shí)應(yīng)使用鐘罩分批壓人熔體內(nèi),這一過程須快速完成,其氬氣供給量應(yīng)以保證坩堝中無明顯火焰為標(biāo)準(zhǔn);加鋰工作完成后,對熔體進(jìn)行20min左右的攪拌。每批加完后都應(yīng)將感應(yīng)爐功率提高,以便充分?jǐn)嚢?加速合金化和熔體成分均勻;②當(dāng)調(diào)整好合金成分后,要進(jìn)行氬氣精煉。用于精煉的氬氣必須滿足:w(H20)≤10×10-6、w(O2)≤10×10-6。精煉前先將精煉管預(yù)熱,在0.2～0.4MPa的壓力下預(yù)吹氬氣30s以上,然后將精煉管插入熔體。應(yīng)充分考慮到爐內(nèi)各個(gè)死區(qū)以及熔體飛濺程度,根據(jù)爐內(nèi)熔體體積將精煉時(shí)間控制在15～40min;③精煉完成后,將熔體溫度控制在710℃;與此同時(shí),連接感應(yīng)爐與靜置爐之間的轉(zhuǎn)移管道,并開始對靜置爐抽氣,達(dá)到所需要的負(fù)壓后即可將熔體轉(zhuǎn)移到靜置爐內(nèi),此時(shí)靜置爐溫度為740℃;④合金熔體轉(zhuǎn)入靜置爐后,打開爐門迅速扒去熔體表面的浮渣,然后密閉靜置爐所有通道,開始抽真空,對熔體進(jìn)行除氣處理。[H]在Mg中的溶解度比Al中的大得多(一般大2個(gè)數(shù)量級),除氣時(shí)間應(yīng)不少于60min,同時(shí)應(yīng)輔以氣動攪拌,以利氣體的充分析出;⑤鑄造時(shí)結(jié)晶器內(nèi)金屬熔體的保護(hù)可采用氬氣、熔劑或二者共同保護(hù)。圖2給出了兩種保護(hù)方式的示意圖。3.4相合金制備鎂鋰合金中的相主要有α相和β相兩種。α相為鎂基密排六方結(jié)構(gòu),β相為鋰基體心立方結(jié)構(gòu),因而合金的加工性能隨相組成的不同而不同。當(dāng)鋰含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過5.7%后,出現(xiàn)體心立方結(jié)構(gòu)的β相,從而改善了合金的加工性能,但合金的強(qiáng)度有所降低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),α相合金的最佳軋制溫度為400℃,α+β相合金為200～300℃,β相合金為200℃或更低。Mg4.16Li合金的組織為α固溶體,在200℃軋制時(shí)加工率未達(dá)到48%時(shí)就出現(xiàn)了橫向斷裂;在300℃軋制時(shí)塑性有些改善,加工率達(dá)48%時(shí)裂邊寬度為10mm,加工率92%時(shí)裂邊寬度為17mm;在400℃軋制時(shí)上述加工率對應(yīng)的裂邊寬度分別為5mm和9mm。切除裂邊后繼續(xù)軋制可減小裂邊的擴(kuò)展,提高成材率。上述α相合金軋制過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象可能有以下兩個(gè)原因,一是鋰含量較低,晶粒尺寸較大(50μm),加工硬化速度快,雖經(jīng)兩次中間退火,軋制時(shí)裂邊仍然較大;二是該合金的滑移系少。Valeev研究鎂單晶體變形特征時(shí)發(fā)現(xiàn),沿(0001)密排面的滑移在晶體表面表現(xiàn)為直線,沿棱柱面的滑移則表面為折線。因此,α相合金軋制過程中的橫向斷裂可以推測是(0001)密排面滑移聚集的結(jié)果。升高軋制溫度后,棱柱滑移、斜方滑移系開動,滑移系增多,變形性能有所改善,因此采用高溫(400℃)軋制可以減小裂邊。Mg-10.8Li合金的組織為β固溶體,軋制容易。在200℃、300℃、400℃軋制時(shí),其裂邊寬度分別為2mm、1mm、0mm。這種合金易于軋制的主要原因是其組織是以鋰為基體的體心立方晶格結(jié)構(gòu),滑移系多、交滑移來得容易,即使晶粒尺寸比Mg-8.2Li雙相(α+β)的尺寸大,軋制塑性仍然良好,因而可在200℃或更低的溫度下軋制成材,這與α相合金的難加工形成了鮮明的對照。Mg-8.2Li合金為α+β雙相組織,α相與β相的比例分別為52.85%和47.2%;與α相合金相比,鑄態(tài)晶粒尺寸較小(20μm),塑性較好。由于β相比α相軟,軋制變形更傾向于發(fā)生在β相中。在200℃、300℃,400℃軋制時(shí),中間退火一次,便可軋至成品厚度,裂邊寬度分別為5.5mm、4mm、2mm。裂邊量比α相合金明顯減小,如果中間多次退火或采用剖條軋制,裂邊量會更小?？紤]到在400℃軋制時(shí)合金中的β相氧化銳鋰嚴(yán)重,因此在200～