一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种可双级时效强化的Mg‑Sn‑Li‑Zn系镁合金及其制备方法，以科学计算指导合金成分设计，Sn和Li含量在Mg‑Sn‑Li相图的特定区域内，Zn含量在Mg‑Zn相图的特定区域内。本发明专利技术合金以Li2MgSn为主要析出相，以第一级时效中形成的纳米富Zn亚稳相促进纳米尺度Li2MgSn形核，提高时效强化效果。结合塑性变形加工方法，细化晶粒并引入位错亚结构，进一步提高合金的力学性能。本发明专利技术合金可再含有Ca、Mn、Na、Sr、Si、Zr元素中的至少一种，合金的综合性能好，除了可用于镁合金作为结构材料的常规应用场合，还可用于制备人体植入医疗器件。

A Mg-Sn-Li-Zn Magnesium Alloy with Two-stage Aging Strengthening and Its Preparation Method

The present invention provides a Mg Sn Li Zn magnesium alloy which can be strengthened by two-stage aging and its preparation method. The composition design of the alloy is guided by scientific calculation. The content of Sn and Li is in the specific area of the Mg Sn Li phase diagram and the content of Zn is in the specific area of the Mg Zn phase diagram. The alloy of the invention takes Li2MgSn as the main precipitate phase, and the nano-Zn-rich metastable phase formed in the first aging process promotes the nucleation of nano-scale Li2MgSn and improves the aging strengthening effect. The mechanical properties of the alloy were further improved by refinement of grain size and introduction of dislocation substructure combined with plastic deformation processing. The alloy can contain at least one element of Ca, Mn, Na, Sr, Si and Zr. The alloy has good comprehensive properties, and can be used not only for the conventional application of magnesium alloy as structural material, but also for the preparation of human body implanted medical devices.

【技术实现步骤摘要】
一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金及其制备方法
本专利技术涉及一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金的成分设计及其制备方法，属于有色金属材料及冶金领域。
技术介绍
Mg-Al-Zn(AZ)系镁合金是最广泛的商用镁合金，然而由于合金组织中的主要第二相Mg17Al12的熔点低(458℃)，Mg-Al共晶温度低(437℃)和Al偏聚在晶界降低约比温度等原因，AZ系镁合金的抗蠕变性能(或称耐热性)较低，长期服役温度一般不超过120℃。有两条途径可以提高镁合金的抗蠕变性能，一是基于AZ系进行合金成分优化，二是用其他元素取代主合金化元素Al，例如用Sn取代Al。传统Mg-Sn系镁合金的主要第二相是Mg2Sn，熔点高(770℃)，Mg-Sn共晶温度高(561℃)，因此抗蠕变性能优于AZ系镁合金。由于形成较高体积分数的Mg2Sn第二相，铸态Mg-10Sn合金在150℃的抗蠕变性能优于耐热Mg-4Al-2RE(AE42)合金。Li的密度约为0.5g/cm3，约为Mg的29％，在Mg中加入Li能进一步降低镁合金的密度，获得更高的比强度和比刚度。但是，Li的加入会使镁合金更容易被氧化，因此其加入量不宜过多。文献1公开了一种具有阻燃性的Mg-Li-Sn合金及其加工工艺，所述镁合金含有8种合金化元素，余量为Mg。按质量百分比计，其中Li：10～12％，Sn：2～9％，不含Zn，可知Li含量总是大于Sn含量。所述镁合金可进行单级时效处理，制度为：真空，160℃，2.4h。该文献没有对所述镁合金时效前后的合金组织进行描述。文献2公开了一种骨科植入镁合金材料及制备方法，所述镁合金含有多种合金化元素，按质量百分比计，其中Li：1～1.8％，Sn：0.5～0.85％，Zn：1.5～3％，可知Li含量总是大于Sn含量。该文献对所述镁合金组织的描述中没有Mg2Sn或Li2MgSn第二相，并且没有与时效强化有关的说明。文献3公开了一种无凝固收缩特性高硬度铸造用镁合金及其工艺，所述镁合金含有多种合金化元素，按质量百分比计，其中Li：0.6～0.8％，Sn：5～8％，不含Zn，可知Sn含量总是大于Li含量。该文献中有消除铸造应力的真空退火，但是没有与时效强化有关的说明。文献4公开了一种500～600度用耐氧化高储能密度镁合金及工艺，所述镁合金含有多种合金化元素，按质量百分比计，其中Li：2.0～3.0％，Sn：1.0～1.2％，Zn：2.5～2.8％，可知Li含量总是大于Sn含量。该文献没有关于时效强化的说明。文献5公开了一种具备优异铸造性能和传热性能的单相α镁锂合金，所述镁合金含有多种合金化元素，按质量百分比计，其中Li：3.5～4.2％，Sn：0.6～0.8％，不含Zn，可知Li含量总是大于Sn含量。所述镁合金可进行单级时效处理，制度为：真空，160℃，1.4h。该文献中没有对所述镁合金时效前后的合金组织进行描述。现有技术文献文献1(专利)：CN107630158A，一种具有阻燃性的Mg-Li-Sn合金及其加工工艺，文献2(专利)：CN108286003A，一种骨科植入镁合金材料及制备方法，文献3(专利)：CN109082570A，一种无凝固收缩特性高硬度铸造用镁合金及其工艺，文献4(专利)：CN109266932A，一种500-600度用耐氧化高储能密度镁合金及工艺，文献5(专利)：CN108070761A，具备优异铸造性能和传热性能的单相α镁锂合金。
技术实现思路
本专利技术要解决的课题是：设计可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金，在合金组织中，以热稳定性更高的Li2MgSn取代Mg2Sn，使合金的耐热性高于以Mg2Sn为主要析出相的传统可时效Mg-Sn系镁合金。通过成分设计使本专利技术合金可通过固溶处理获得Mg单相固溶体。然后，在第一级时效中形成大量纳米富Zn亚稳相，在第二级时效中形成大量纳米尺度的Li2MgSn析出相，显著提高时效强化效果。以解决上述课题为目标的本专利技术的要旨如下所述。如无特别说明，成分百分比均默认为质量百分比。一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金，其特征在于组织特征是可以通过固溶处理得到Mg单相固溶体，通过双级时效先析出纳米富Zn亚稳相，再促进纳米尺度Li2MgSn析出相形成，产生显著强化效果；上述组织特征要求合金的成分满足以下条件：(1)Sn含量为0.01～7％，Li含量为0.05～3％，Zn含量为0.4～6.5％，其余为Mg；(2)当0.01％≤Sn≤0.08％时，Li含量满足条件0.5-5.25x≤y≤3％，其中x和y分别代表Sn和Li含量，以下如无特别说明则含义相同；(3)当0.08％<Sn≤0.3％时，Li含量满足条件0.0301x-0.408≤y≤3％；(4)当0.3％<Sn≤2.1％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤3％；(5)当2.1％<Sn<4％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤6.5329x-1.083；(6)当4％≤Sn≤7％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤3.8799x-0.692；(7)第一级时效温度为60～178℃，Zn含量满足条件10-5m2.5805≤n≤6.5％，此处m和n分别代表温度和Zn含量。通过基于科学计算的Mg-Sn-Li三元相图，设计所述合金的Sn和Li含量在图1中成分区R1内，包括在R1的边界上。图1中，横轴x轴代表所述合金中Sn的质量百分比，纵轴y轴代表所述合金中Li的质量百分比。根据科学计算，所述成分区R1的物理意义是：(1)在600℃，成分区R1内合金的平衡相是Mg单相；(2)在0～300℃，成分区R1内合金的平衡相组成是Mg+Li2MgSn。上述物理意义决定了本专利技术合金可以在≤600℃进行固溶热处理得到Mg单相固溶体，淬火至室温得到Mg单相过饱和固溶体，在100～300℃时效析出Li2MgSn相，产生析出强化效果。根据科学计算，所述成分区R1由5条边界线界定，分别用B1～B5表示(见图1)，它们的物理意义和数学表达式分别为：(1)边界线B1//y轴，对应的直线方程为x＝0；(2)边界线B2//x轴，对应的直线方程为y＝3；(3)边界线B3，物理意义是600℃时Mg单相区与Mg+Li2MgSn两相区的分界线，对应的曲线方程为：当2.1≤x<4时，y＝6.5329x-1.083；当4≤x≤7时；y＝3.8799x-0.692；(4)边界线B4，物理意义是0℃时Mg+Li2MgSn两相区与Mg+Li2MgSn+Mg2Sn三相区的分界线，对应的直线方程为：y＝0.1418x+0.0075；(5)边界线B5，物理意义是300℃时Mg单相区与Mg+Li2MgSn两相区的分界线，对应的曲线方程为：当0≤x≤0.08时，y＝0.5-5.25x；当0.08<x≤0.3时；y＝0.0301x-0.408。上述5条边界线之间的交点为a～e(见图1)，它们的坐标是a点(0,0.5)，b点(0,3)，c点(2.1,3)，d点(7,1)和e点(0.3,0.05)。根据科学计算的Mg-Zn二元亚稳相图，确定本专利技术合金的Zn含量在图2中成分区S1内，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可双级时效强化的Mg‑Sn‑Li‑Zn系镁合金，其特征在于组织特征是可以在通过固溶处理得到Mg单相固溶体，通过双级时效先析出纳米富Zn亚稳相，再促进纳米尺度Li2MgSn析出相形成，产生显著强化效果；上述组织特征要求合金的成分满足以下条件：(1)Sn含量为0.01～7％，Li含量为0.05～3％，Zn含量为0.4～6.5％，其余为Mg；(2)当0.01％≤Sn≤0.08％时，Li含量满足条件0.5‑5.25x≤y≤3％，其中x和y分别代表Sn和Li含量，以下如无特别说明则含义相同；(3)当0.08％<Sn≤0.3％时，Li含量满足条件0.0301x

【技术特征摘要】
1.一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金，其特征在于组织特征是可以在通过固溶处理得到Mg单相固溶体，通过双级时效先析出纳米富Zn亚稳相，再促进纳米尺度Li2MgSn析出相形成，产生显著强化效果；上述组织特征要求合金的成分满足以下条件：(1)Sn含量为0.01～7％，Li含量为0.05～3％，Zn含量为0.4～6.5％，其余为Mg；(2)当0.01％≤Sn≤0.08％时，Li含量满足条件0.5-5.25x≤y≤3％，其中x和y分别代表Sn和Li含量，以下如无特别说明则含义相同；(3)当0.08％<Sn≤0.3％时，Li含量满足条件0.0301x-0.408≤y≤3％；(4)当0.3％<Sn≤2.1％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤3％；(5)当2.1％<Sn<4％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤6.5329x-1.083；(6)当4％≤Sn≤7％时，Li含量满足条件0.1418x+0.0075≤y≤3.8799x-0.692；(7)第一级时效温度为60～178℃，Zn含量满足条件10-5m2.5805≤n≤6.5％，此处m和n分别代表温度和Zn含量。2.如权利要求1所述的一种可双级时效强化的Mg-Sn-Li-Zn系镁合金，其特征在于合金还含有Ca、Mn、Na、Sr、Si、Zr中的至少一种，含量为：Ca：0.1～3％，Mn：0.1～2％，Na：0.1～0.3％，Sr：0.01～0.08％，Si：0.1～0.4％，Zr：...

【专利技术属性】
技术研发人员：石章智，陈虹廷，刘雪峰，许俊益，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11