【摘 要】
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镁锂合金是目前密度最低的金属结构材料之一,其具有较高的比强度、比刚度,在航空航天等领域有着巨大的应用潜力,其中诸如高精度设备支架等构件对材料的热膨胀系数提出了更高的要求。本论文采用重力铸造方法制备了Mg-4Li-3Al-2Zn-x Si（x=0、1、2、3）合金试样,研究了Si元素含量以及热处理工艺对合金显微组织、力学性能和热膨胀系数的影响。首先采用第一性原理方法计算了合金中Mg17Al12、Al
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镁锂合金是目前密度最低的金属结构材料之一,其具有较高的比强度、比刚度,在航空航天等领域有着巨大的应用潜力,其中诸如高精度设备支架等构件对材料的热膨胀系数提出了更高的要求。本论文采用重力铸造方法制备了Mg-4Li-3Al-2Zn-x Si（x=0、1、2、3）合金试样,研究了Si元素含量以及热处理工艺对合金显微组织、力学性能和热膨胀系数的影响。首先采用第一性原理方法计算了合金中Mg17Al12、Al Li和Mg2Si相的弹性性质和热膨胀性质。结果表明Mg2Si相的体积模量、剪切模量和杨氏模量较高,且热膨胀系数相比于纯Mg较低,有利于合金热膨胀系数的降低。采用虚拟晶体近似模型建立了Mg-Li-Al-Zn-Si合金的晶体模型,计算结果表明随着Si含量的增加,合金的密度增大,体积模量、剪切模量和杨氏模量增大,塑性下降,热膨胀系数下降。浇注实验结果表明,铸态下Mg-4Li-3Al-2Zn合金由α-Mg相、条状Mg17Al12相和层片状Al Li相组成,添加Si元素后合金中先出现共晶Mg2Si相,随着Si含量的持续增加出现初生Mg2Si相。Mg-4Li-3Al-2Zn合金的硬度、屈服强度和抗压强度分别为60.4HV、97.1MPa和329.5MPa;随着Si含量增加到3%,合金硬度、屈服强度和抗压强度分别提高至80.6HV、150.1MPa和454.6MPa。热膨胀系数由Mg-4Li-3Al-2Zn合金的26.47×10-6/℃下降到Mg-4Li-3Al-2Zn-3Si合金的21.43×10-6/℃,下降了19%。热处理实验结果显示,在350～450℃固溶温度和2～24h固溶时间下,合金中Mg17Al12相的数量随着固溶温度的升高和固溶时间的延长逐渐减少,Al Li相在固溶初期就完全固溶至基体中,而Mg2Si相在固溶过程中不发生变化。当固溶温度为400℃,固溶时间为12h时,合金达到最佳固溶效果。最佳时效温度选择为75℃,随着Si含量的增加合金达到峰时效的时间延长,时效处理后Mg-4Li-3Al-2Zn-3Si合金的硬度、屈服强度和抗压强度最大,分别为88.5HV、154.7MPa和503.1MPa。Mg-4Li-3Al-2Zn-3Si合金热处理后的室温热膨胀系数为22.05×10-6/℃,与铸态合金接近。
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