CN104894447B

CN104894447B - 一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金及其制备工艺

Info

Publication number: CN104894447B
Application number: CN201510159504.2A
Authority: CN
Inventors: 刘轲; 李莉莉; 周丽媛; 刘强; 金可; 李桉泷
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: CN104894447A

Abstract

一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金及其制备工艺，属于镁合金技术领域。该合金组成及其质量百分比分别为Er含量6～25wt.％，Zn含量4～10wt.％，余量为Mg，其中Er/Zn的质量加入比例为1.5～3。本发明通过一定的熔炼，结合固溶处理工艺，控制合金中层状相/针状相的形成量，制备了一种新型合金。经过该调控工艺后，合金硬度有了明显变化。

Description

一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金及其制备工艺，属于镁合金技术领域。

背景技术

镁合金具有密度小，比刚度高，比强度高，比弹性模量大，散热性能好，承受载荷能力强，承受冲击载荷能力比铝合金大等优点，它作为一种最轻的节能环保结构材料在汽车、轨道、电子、航天、航空和国防军工等领域具有极其重要的工业价值和应用前景。然而，镁合金优点明显，缺点也同样突出：绝对强度低，塑性也较差，弹性模量低；冷加工和韧性受限制；高温性能较差，化学性质活泼，容易与其他物质发生化学反应。

通过合金化、热处理、晶粒细化、变形加工、引入陶瓷颗粒增强相与镁合金复合等多种方法的综合运用，可以使镁合金的力学性能大幅度提高。其中稀土元素对合金具有独特的强化作用。大部分稀土元素在镁中具有较大的固溶度，具有良好的固溶强化和沉淀强化作用。稀土元素与镁基体作用生成高熔点的第二相，随后在低温时效处理过程中又会在晶粒内和晶界上大量析出，可以提高镁合金综合力学性能。

稀土镁合金是目前镁合金中最重要的商用高强耐热镁合金体系之一，尤其是含有重稀土元素(Gd、Y、Dy、Ho和Er等)的镁合金更是目前研究的热点领域。特别重要的是，该类稀土镁合金具有优异的时效硬化特性,强度显著提高，而塑性急剧降低。多种Mg-RE-Zn三元相，如已经报道的I相(MgZn₆RE)、W相(MgZn₃RE₂)及LPSO相(Mg₁₂ZnRE/Mg₁₀ZnRE)的出现，为开发高强高韧的稀土镁合金提供了新的研究思路和方向。但目前借助合金中形成的Mg-Zn-RE三元相强化而制备的稀土镁合金仍有很多的不足之处。特别是LPSO相等三元相的形成必然导致合金中稀土元素含量的降低，直接影响了合金在后续热处理过程中的时效强化效果。二者含量的变化必然是一对矛盾，这直接导致二者所能贡献的强化增量此消彼长。Honma等曾研究Zn的添加量对Mg-2.0Gd-1.2Y-0.2Zr(wt.％)合金的时效硬化特性的影响，发现随着Zn含量的增加，合金中LPSO结构的含量增加，而时效硬化特性呈现明显的降低趋势，并导致峰值时间滞后。

LPSO结构可显著改善镁合金的力学性能。铸态下，Mg-RE-Zn合金力学性能明显低于挤压态，经过热处理(773K固溶处理6h以上)再挤压具有14H结构的Mg_96.5Zn₁Gd_2.5合金，屈服强度可达345MPa，延伸率为6.9％。Onorbe等研究了LPSO结构体积分数对力学性能的影响，随着LPSO相体积分数的增加，Mg_100-3xY_2xZn_x合金的基体晶粒再结晶细化程度增加，其室温屈服强度也随之增加。Itoi等在压缩试验和冷轧Mg₈₅Ni₆Y₉镁板中发现了10H-LPSO结构，其优异的压缩屈服强度和延伸率(365MPa和30％)远远超过纯镁。不同类型的LPSO结构与其化学成分密切相关。同时，18R-LPSO结构对显微硬度也有显著影响，含有18R结构65.2％的铸态Mg₈₃Ni₆Zn₅Y₆合金，在晶粒粗化后显微硬度也明显高于传统镁合金。铸态的Mg-Ni-Y合金由于其晶粒粗大和LPSO结构的不均匀分布导致其力学性能较差。经过热处理和轧制变形，从而极大地提高了合金的力学性能。

镁合金变形主要通过基面滑移实现，当位错运动到LPSO结构和α-Mg基体的界面时，基体上产生层错，阻碍位错运动，使位错在界面处塞积，基面滑移受到抑制，从而开动非基面滑移，扭折带在LPSO结构中大量出现，产生强化效果。同时，基面织构也少量形成，但相对较弱。所以，长周期结构显著提高了基体强度。LPSO结构对力学性能的贡献主要有两方面：一方面，在挤压过程中LPSO结构阻碍了位错运动，在Mg/LPSO结构界面处造成塞积，加速了再结晶晶粒的细化，随后的热处理中，由于LPSO结构具有高温稳定性，减弱了再结晶晶粒的粗化，阻碍了屈服强度的快速下降；另一方面，LPSO结构作为一种硬质相，有着类似短纤维强化的作用，沿挤压方向弥散均匀分布，提高了屈服强度。实际得到的镁合金的高强度源于LPSO结构、α-Mg基体相、共晶相、沉淀析出的形态、大小、分布等的共同作用，并且合金的位错组态、孪晶和织构等也将影响其最终的强韧化效果。

然而，虽然目前关于含LPSO结构合金的研究较多，但目前这类合金也存在很多不足，如这类合金中的LPSO结构粗大，分布不均，进而导致力学性能低下。另外，目前稀土镁合金主要是包含有Y、Gd等的稀土元素，有关Mg-Zn-Er类的合金研究开发较少。因此，本专利主要涉及到Mg-Zn-Er合金的开发和制备，旨在开发出一种新型的稀土镁合金材料。本发明通过控制熔炼工艺、改变合金成分、同时结合合理的热处理工艺，获得了一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金，该合金具有较好的力学性能。

发明内容

本发明提供了一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金及其制备工艺，通过控制熔炼以及热处理过程，获得层状/针状两相复合增强的稀土镁合金，提高其力学性能。

一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金，层状相主要分布在晶界处，而针状相主要分布在基体中。

本发明采用元素组成及质量百分比为Er含量6～25wt.％，Zn含量4～10wt.％，余量为Mg的Mg-Er-Zn合金，其中Er/Zn的质量加入比例为1.5～3。

该合金的熔炼工艺为将Mg-Er中间合金放置于坩埚中，在保护气氛下进行升温；当炉温升至750-820℃温度区间后，中间合金熔化，保温10-20min后，搅拌除渣；然后，降低熔炼温度至740-800℃，添加镁锭，保温10-20min后，搅拌除渣；继续降低温度至700-780℃，添加Zn，搅拌并除渣；继续升高温度，将温度升至760-800℃后，搅拌合金液，除渣；最后，将合金液在该温度下保温、静置半小时以上，待合金液冷却至720-760℃浇注于模具中，合金在凝固过程中产生层状相；将制备好的合金置于热处理炉中在450～525℃进行固溶处理，保温时间5h～30h，经固溶处理后的合金有针状相析出。

优选Mg-Er中间合金放置于坩埚前进行了预热，预热至200℃。保护气氛为SF₆/CO₂混合气体。

然后对热处理后的合金进行硬度的测量。

本专利通过控制合金成分、熔炼工艺、固溶工艺制备了一种层状相/针状二相复合强化的稀土镁合金材料。

本发明的特点和有益效果

1.本发明选取一种不常用的稀土Er为主要合金化元素，采用调控合金成分、熔炼工艺及热处理工艺灯制备一种新型稀土镁合金。

2.本发明采用控制合金成分范围、熔炼工艺及浇铸工艺实现合金中层状结构在含量、分布、尺寸等的调控。

3.本发明采用不同的热处理工艺，主要包括保温时间，保温温度等实现合金中针状相在含量、分布及尺寸等方面的控制，进而获得了层状/针状两相复合强化的稀土镁合金。

4.本发明中的层状相在合金凝固过程中形成，其主要分布在晶界处，而针状相在固溶处理过程中产生，主要分布在基体中。层状相的所占体积比例在10～30％之间，针状相所占体积比例在15～30％之间。

5.本发明中的层状相与针状相复合强化效果良好，改变了目前Mg-Zn-RE合金中三元相单一的不足，可以有效的实现合金结构和性能的优化。尤其经过450～525℃固溶保温5～30h后合金的硬度明显改善，且硬度值呈现两个硬度峰值，并有递增趋势。

附图说明

图1是本发明实施例1中的铸态Mg-6Er-4Zn合金的光学组织照片。

图2是本发明实施例1中的固溶态Mg-6Er-4Zn合金的光学组织照片。

图3是本发明实施例3中的铸态Mg-15Er-5Zn合金光学组织照片。

图4是本发明实施例3中的固溶态Mg-15Er-5Zn合金光学组织照片。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案详细阐述，但本发明并不限于以下实施例。保护气氛为SF₆/CO₂混合气体。

实施例1

现将Mg-Er中间合金、纯Zn及纯镁等去除氧化皮层，设计合金成分为Mg-6Er-4Zn(wt.％)。首先将中间合金放置于干锅中，保护气氛下熔化，当温度升高至760℃时，搅拌、保温20min、除渣，调节电流量，当炉温降至740℃时，添加纯镁，搅拌、保温10min、除渣，调节电流量，将炉温降至700℃时，添加纯Zn，搅拌、保温10min、除渣，而后升温至760℃，保温、静止30min。待合金液温度降为720℃时，浇注于铁模中。制得合金中层状结构的体积分数约为10％，如图1所示，其平均硬度值约为56HV。

将获得的该层状结构合金在480℃下进行固溶处理，保温时间为10h，合金中有较多的针状相析出，其体积分数约为15％，如图2所示，其平均硬度值约为70HV。

实施例2

现将Mg-Er中间合金、纯Zn及纯镁等去除氧化皮层，设计合金成分为Mg-14Er-7Zn。首先将中间合金放置于干锅中，保护气氛下熔化，当温度升高至780℃时，搅拌、保温20min、除渣，调节电流量，当炉温降至740℃时，添加纯镁，搅拌、保温20min、除渣，调节电流量，最后，将炉温降至700℃时，添加纯Zn，搅拌、保温15min、除渣，调节电流量。将炉温升至760℃，保温、静置30min。待合金液温度降为740℃时，浇注于铁模中。制得合金中层状结构的体积分数约为25％，其平均硬度值约为60HV。

将该合金在450℃下进行固溶处理，保温时间为15h，合金中有较多的针状相析出，其体积分数约为20％，其平均硬度值约为74HV。

实施例3

现将Mg-Er中间合金、纯Zn及纯镁等去除氧化皮层，设计合金成分为Mg-15Er-5Zn。首先将中间合金放置于干锅中，保护气氛下熔化，当温度升高至780℃时，搅拌、保温20min、除渣，调节电流量，当炉温降至740℃时，添加纯镁，搅拌、保温10min、除渣，最后，将炉温降至700℃时，添加纯Zn，搅拌、保温15min、除渣。将炉温升至760℃，保温、静止30min。待合金液温度降为740℃时，浇注于铁模中。制得合金中层状结构的体积分数约为35％，如图3所示，其平均硬度值约为75HV。

将获得的该层状结构合金在500℃下进行固溶处理，保温时间为15h，合金中有较多的针状相析出，其体积分数约为30％，如图4所示，其平均硬度值约为95HV。

Claims

1.一种层状/针状两相复合增强的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，层状/针状两相复合增强的稀土镁合金元素组成及质量百分比为Er含量6～25wt.％，Zn含量4～10wt.％，余量为Mg的Mg-Er-Zn合金，其中Er/Zn的质量加入比例为1.5～3；包括以下步骤：将Mg-Er中间合金放置于坩埚中，在保护气氛下进行升温；当炉温升至750-820℃温度区间后，中间合金熔化，保温10-20min后，搅拌除渣；然后，降低熔炼温度至740-800℃，添加镁锭，保温10-20min后，搅拌除渣；继续降低温度至700-780℃，添加Zn，搅拌并除渣；继续升高温度，将温度升至760-800℃后，搅拌合金液，除渣；最后，将合金液在该温度下保温、静置半小时以上，待合金液冷却至720-760℃浇注于模具中，合金在凝固过程中产生层状相；将制备好的合金置于热处理炉中在450～525℃进行固溶处理，保温时间5h～30h，经固溶处理后的合金有针状相析出。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，Mg-Er中间合金放置于坩埚前进行了预热，预热至200℃。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，保护气氛为SF₆/CO₂混合气体。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，层状相主要分布在晶界处，而针状相主要分布在基体中。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，层状相的所占体积比例在10～30％之间，针状相所占体积比例在15～30％之间。