CN103993213B - 一种双特殊结构相复合增强Mg‑Zn‑Y合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二十面体准晶相及长周期堆垛有序结构相复合增强Mg‑Zn‑Y合金的制备方法。本发明合金中化学元素质量百分比：Zn、Y总量为10wt%，Zn与Y原子比为0.5~1.5，余量为Mg。其中Zn以纯Zn加入，Y以Mg‑25wt.%Y中间合金形式加入，Mg则采用工业纯镁。本发明的镁合金经过熔炼、金属型成型和固溶、分级时效处理得到的合金组织为α‑Mg固溶体、二十面体准晶相及长周期堆垛有序结构相。弥散析出的准晶依靠对位错的强钉扎和与基体形成牢固的界面，可显著增强镁合金;长周期结构与基体界面共格，具有很高的热稳定性，不易粗化，它也可显著阻碍位错运动和形变孪晶的扩展，并使合金的力学性能明显提高，其抗拉强度最高可达到352 MPa，其延伸率可达到7.5%。本发明有利于推进高强度镁合金在汽车、航空、电子通信等诸多领域的广泛应用。

Description

一种双特殊结构相复合增强Mg-Zn-Y合金的制备方法

技术领域

本发明涉及高强度镁合金材料及制备技术，特别是一种双特殊结构相复合增强镁合金的制备方法,属于高强镁合金加工技术领域。

背景技术

镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，被誉为21世纪最具潜力的绿色环保材料。近年来随着飞船、飞机、导弹、汽车、计算机、通信产品、消费类电子产品的快速发展，对轻质镁合金提出了更高的要求，进而迫使人们在合金设计、先进加工上寻找新的技术突破。Mg-Zn-Y系中存在准晶和长周期堆垛有序结构两种特殊结构相，其中准晶相依靠其自身的硬度和对位错的钉扎作用，对合金有显著的强化作用，而长周期结构与基体界面共格，具有很高的热稳定性，不易粗化，可显著阻碍位错运动和形变孪晶的扩展，并使合金的力学性能明显提高，然而受限于两种特殊结构相对合金成分的苛刻要求和铸态下尺寸粗大问题，采用普通铸造方法难以充分发挥准晶及长周期结构的强化优势。因此，研制一种新型高强度镁合制备方法是非常迫切的任务。

发明内容

本发明主要是针对以上不足，提供一种双特殊结构相复合增强高强度镁合金的制备方法。本专利采用常规铸造、固溶及分级时效热处理工艺制备准晶和长周期堆垛有序结构复合强化Mg-Zn-Y合金的方法，获得双特殊结构相共存以提高合金强度。

本发明的技术方案是：

（1）选择Mg-Zn-Y合金，该合金中化学元素质量百分比：Zn、Y总量为10wt%，余量为Mg，且Zn与Y质量比介于0.5~1.5之间，这样可以保证铸态组织中获得准晶与长周期相。

（2）首先用普通铸造方法制备镁合金试样。在井式炉中制备镁合金，温度为720℃时放入镁合金，待溶化，加入纯Zn、Mg-25wt.%Y中间合金，制备期间通入CO₂+0.5vol%SF₆混合气体进行保护。

（3）合金热处理工艺。将试样置于温度为430~520°C的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温10~12小时后迅速转移至水槽进行水淬，试样在280~300℃下进行10~15小时的一级时效，接着在200~250℃下进行8~10小时的二级时效处理。

在Mg-Zn-Y三元合金系中，存在准晶与长周期的两相共存区。通过常规铸造的准晶增强高性能Mg-Zn-Y系镁合金，其次通过固溶及分级时效热处理方法制备出同时含准晶和长条状长周期堆垛有序结构增强的Mg-Zn-Y合金并且相应减少了W（Mg3Zn3Y2）相产生的危害。

双特殊结构相复合增强Mg-Zn-Y系合金的高强度主要来源于两方面，一方面准晶通过形成稳定的准晶镁基体界面和对位错的强钉扎来实现合金强化；另一方面通过长周期结构与基体界面共格，具有很高的热稳定性，不易粗化，它可显著阻碍位错运动和形变孪晶的扩展，并使合金的力学性能明显提高。

具体实施方式

实施实例 1

本实施实例是一种高强Mg-Zn-Y合金，其成为为Zn、Y总量为10wt%，Zn与Y原子质量比例为0.5，其中Zn以工业用Zn加入，Y以Mg-25wt.%Y中间合金加入，Mg则采用工业纯镁。

本实施例的具体制备方法为：

第一步，将坩埚加热到720℃，将工业纯Mg加入到坩埚内并开始通入 CO₂+0.5vol%SF₆混合气体进行保护；待纯镁完全熔化后加入Zn，Mg-25wt.%Y中间合金。Mg-25wt.%Y中间合金加入方式为用铁制钟罩压入合金熔体中，并轻微地向四周游动，防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到熔液中。纯Zn用钟罩压入合金熔体底部后便可取出钟罩；待中间合金、纯Zn完全熔化，静置 20～30分钟浇入空冷金属型成型。合金的整个熔炼浇注过程均在CO₂+0.5vol%SF₆混合气体保护下进行；

第二步，合金热处理。将试样置于温度为430°C的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温10小时，后迅速转移至水槽进行水淬，试样在280℃下进行15小时的一级时效处理，接着在220℃下进行10小时的二级时效处理。分级时效后得到了近似球状细小尺寸的准晶和析出第二相即长条状的长周期相，可以起到强化作用。合金时效组织为a-Mg固溶体，其内部分布着细小I-phase，且准晶形态近似球状，长条状长周期结构与基体界面共格。通过合理的热处理工艺得到的镁合金含有双相增强相即准晶及长周期特殊结构，其应力比常规铸造只含有单相的镁合金的应力更高,其抗拉强度最高可达到332MPa，其延伸率可达到6.5%。

实施实例 2

本实施实例是一种高强Mg-Zn-Y合金，其成为为Zn、Y总量为10wt%，Zn与Y原子质量比例为1，其中Zn以工业用Zn加入，Y以Mg-25wt.%Y中间合金加入，Mg则采用工业纯镁。

本实施例的具体制备方法为：

第一步，将坩埚加热到720 ℃，将工业纯Mg加入到坩埚内并开始通入 CO₂+0.5vol%SF₆混合气体进行保护；待纯镁完全熔化后加入Zn，Mg-25wt.%Y中间合金。Mg-25wt.%Y中间合金加入方式为用铁制钟罩压入合金熔体中，并轻微地向四周游动，防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到熔液中。纯Zn用钟罩压入合金熔体底部后便可取出钟罩；待中间合金、纯Zn完全熔化；静置 20～30分钟浇入空冷金属型成型。合金的整个熔炼浇注过程均在CO₂+0.5vol%SF₆混合气体保护下进行；

第二步，合金热处理。将试样置于温度为500 ℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温10小时后迅速转移至水槽进行水淬，试样在300 ℃下进行10小时的一级时效处理，接着在200 ℃下进行8小时的二级时效处理。分级时效后得到了近似球状细小尺寸的准晶和析出第二相即长条状的长周期相，可以起到强化作用。合金时效组织为a-Mg固溶体，其内部分布着细小I-phase，且准晶形态近似球状，长条状长周期结构与基体界面共格。通过合理的热处理工艺得到的镁合金含有双相增强相即准晶及长周期特殊结构，其应力比常规铸造只含有单相的镁合金的应力更高。其抗拉强度最高可达到346 MPa，其延伸率可达到7.2%。

实施实例 3

本实施实例是一种高强Mg-Zn-Y合金，其成份为Zn、Y总量为10wt%，Zn与Y原子质量比例为1.5，其中Zn以工业用Zn加入，Y以Mg-25wt.%Y中间合金加入，Mg则采用工业纯镁。

本实施例的具体制备方法为：

第一步，将坩埚加热到720 ℃，将工业纯Mg加入到坩埚内并开始通入 CO₂+0.5vol%SF₆混合气体进行保护；待纯镁完全熔化后,加入Zn，Mg-25wt.%Y中间合金,Mg-25wt.%Y中间合金加入方式为用铁制钟罩压入合金熔体中，并轻微地向四周游动，防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到熔液中。纯Zn用钟罩压入合金熔体底部后便可取出钟罩；待中间合金、纯Zn完全熔化；静置 20～30分钟浇入空冷金属型成型。合金的整个熔炼浇注过程均在CO₂+0.5vol%SF₆混合气体保护下进行。

第二步，合金热处理。将试样置于温度为520 ℃的普通箱式电阻炉进行固溶处理，保温12小时后迅速转移至水槽进行水淬，试样在300 ℃下进行15小时的一级时效处理，接着在250℃下进行10小时的二级时效处理。分级时效后得到了近似球状细小尺寸的准晶和析出第二相即长条状的长周期相，可以起到强化作用。合金时效组织为a-Mg固溶体，其内部分布着细小I-phase，且准晶形态近似球状，长条状长周期结构与基体界面共格。通过合理的热处理工艺得到的镁合金含有双相增强相即准晶及长周期特殊结构，其应力比常规铸造只含有单相的镁合金的应力更高，其抗拉强度最高可达到352MPa，其延伸率可达到7.5%。

Claims (3)

1.一种双特殊结构相复合增强Mg-Zn-Y合金的制备方法，其特征在于：

选择Mg-Zn-Y合金，该合金中化学元素质量百分比：Zn、Y总量为10wt%，余量为Mg，且 Zn与Y原子质量比介于0.5～1.5之间，其中Zn以纯Zn加入，Y以Mg-25wt.%Y中间合金形式加入，Mg则采用工业纯镁。

2.一种如权利要求1所述双特殊结构相复合增强Mg-Zn-Y合金的制备方法，其特征在于：合金要经过熔炼、金属型成型和固溶、分级时效处理。

3.一种如权利要求1所述双特殊结构相复合增强Mg-Zn-Y合金的制备方法，其特征在于：固溶温度为430~520℃，固溶时间为10~12小时，然后试样在280~300℃下进行10~15小时的一级时效处理，紧接着在200~250℃下进行8~10小时的二级时效处理。