CN106086559A - 一种长周期结构相增强Mg‑RE‑Ni镁合金半固态坯料及其制备方法 - Google Patents

一种长周期结构相增强Mg‑RE‑Ni镁合金半固态坯料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长周期结构相增强Mg‑RE‑Ni镁合金半固态坯料及其制备方法。该半固态坯料成分组成（原子百分比）为：Mg100‑x‑yRExNiy，其中RE为Gd、Y两种元素中至少一种，2＜x＜4，0.7＜y＜1.5。该半固态坯料的制备方法是以纯Mg、纯Gd、纯Y和纯Ni为原料，先熔炼制备成母合金锭，再经过低温半固态等温热处理，之后水淬获得镁合金半固态坯料。本发明提供的长周期结构相增强Mg‑RE‑Ni镁合金属于高强度镁合金，其半固态成形温度低，固相含量随温度变化的敏感性低、所得固相颗粒圆整度高；本发明提供的半固态坯料的制备方法，制备温度低、氧化和燃烧少、过程容易控制、适合采用半固态成形技术制备高强度、形状复杂的镁合金零件。

Description

一种长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料技术领域的合金半固态坯料及其制备方法，具体涉及一种长周期结构相增强镁合金半固态坯料及其制备方法。
背景技术
半固态金属成形技术具有高效、节能、近（净）成形生产、成形件性能高等许多优点，被誉为21 世纪最具前景的金属材料加工技术，尤其是镁合金的半固态成形，可大大降低普通压铸方法生产镁合金零部件时的氧化、燃烧以及气孔和缩松等缺陷，为镁合金的大范围推广和应用打下基础。制备具有非枝晶组织的优质半固态坯料是半固态成形的前提。镁合金半固态坯料的制备方法很多，比如机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波振动法、应力诱发熔体激活法、近液相线浇注法以及半固态等温热处理法等。其中，半固态等温热处理法是将金属坯料在固液两相温度区间内进行等温热处理，使合金由枝晶组织转变为球状或非枝晶组织的方法，具有工艺和设备简单，易操作的优点。更重要的是，该方法无需单独制备半固态坯料，而在半固态成形前的二次加热过程中实现半固态组织的非枝晶化而形成半固态坯料，减少了工艺步骤，降低了半固态成形的工艺成本，是一种较为理想的镁合金半固态坯料制备方法。
半固态等温热处理制备镁合金半固态坯料的方法已成功用于Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE系合金。近十几年，一种新型长周期结构增强的镁合金吸引了人们的注意。采用快速凝固粉末冶金方法制备的长周期结构强化的Mg-Y-Zn镁合金，室温拉伸屈服强度最高达610 MPa,而延伸率也超过5%；423K时，屈服强度也达到510 MPa，这是目前制备的强度最高的镁合金。随着研究不断深入，研究者普遍认为长周期结构增强的镁合金可成为新一代高强度高韧性镁合金。河村能人的发明专利“高强度高韧性镁合金及其制备方法”（CN 10145417 B，2011年5月25日）提出 Mg -RE-Ni 镁合金为长周期结构增强的高强度高韧性镁合金，并提出针对该镁合金的两类材料加工方法，一类是快速凝固，另一类是塑性加工方法。然而，这两类材料加工方法都无法获得形状复杂，体积较大的产品。然而，近来，半固态成形技术可以获得形状复杂，且体积较大的产品，同时可减少了其成形零件中的铸造缺陷, 提高了零件的力学性能, 是一种近净成形技术, 可实现少、无余量加工。因此，将半固态成形技术应用于长周期结构增强Mg-RE-Ni镁合金的加工，可进一步扩展高强度高韧性镁合金的应用范围，满足航空航天对材料日益苛刻的要求。经文献查询，目前尚未发现有关半固态等温热处理制备长周期结构增强Mg-RE-Ni镁合金的半固态坯料研究报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有研究的不足，提供一种适用于半固态等温热处理制备半固态合金坯料方法的长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料及其制备方法，解决半固态形成技术关键问题——半固态坯料的制备，为高强度高韧性镁合金的半固态成形提供技术支持。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的半固态坯料，是一种长周期结构相增强的Mg-RE-Ni合金半固态坯料，该坯料的成分组成（原子百分比）表示为：Mg100-x-yRExNiy，其中RE为Gd、Y两种元素中至少一种，2＜x＜4，0.7＜y＜1.5。
本发明所涉及的镁合金半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Y、纯Ni为原料，按照镁合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd、纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭；最后将母合金锭置于热处理炉中，在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度范围内，任选一个温度进行等温热处理，保温 10～30 min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
所述等温热处理温度的最佳值为高于长周期结构相熔化温度20℃；所述保温时间最佳值为20min。保温时间依等温热处理温度而定，温度越高，保温时间越短。
本发明提供的镁合金半固态坯料是长周期结构相增强的镁合金半固态坯料，属于高强度高韧性镁合金，其半固态成形温度低，固相含量随温度变化的敏感性低、所得固相颗粒圆整度高；本发明提供的半固态坯料的制备方法，制备温度低、氧化和燃烧少、过程容易控制、适合采用半固态成形技术制备高强度、形状复杂的镁合金零件。
附图说明
图1(a) 是实施例1的半固态坯料组织形貌,图1(b) 是实施例1的半固态合金坯料的XRD图谱；
图2(a) 是实施例2的半固态坯料组织形貌,图2(b) 是实施例2的半固态坯料的XRD图谱；
图3(a) 是实施例3的半固态坯料组织形貌,图3(b) 是实施例3的半固态坯料的XRD图谱；
图4(a) 是实施例4的半固态坯料组织形貌,图4(b) 是实施例4的半固态坯料的XRD图谱；
图5(a) 是实施例5的半固态坯料组织形貌,图5(b) 是实施例5的半固态坯料的XRD图谱；
图6(a) 是实施例6的半固态坯料组织形貌,图6(b) 是实施例6的半固态坯料的XRD图谱；
图7(a) 是实施例7的半固态坯料组织形貌,图7(b) 是实施例7的半固态坯料的XRD图谱；
图8(a) 是实施例8的半固态坯料组织形貌,图8(b) 是实施例8的半固态坯料的XRD图谱；
图9(a) 是实施例9的半固态坯料组织形貌,图9(b) 是实施例9的半固态坯料的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例1：Mg97.3Gd2Ni0.7镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组分（按原子百分比）：Mg：97.3%，Gd：2%，Ni：0.7%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Ni为原料，按照Mg97.3Gd2Ni0.7合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为537℃，而Mg相熔化温度的温度为585℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择557℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图1(a) 为Mg97.3Gd2Ni0.7合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为30%；图1(b)为Mg97.3Gd2Ni0.7合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图1表明所制备的Mg97.3Gd2Ni0.7合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例2：Mg97.3Gd1Y1Ni0.7镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：97.3%，Gd：1%， Y：1%，Ni：0.7%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg97.3Gd1Y1Ni0.7合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd、纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为545℃，而Mg相熔化温度的温度为583℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择565℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图2(a) 为Mg97.3Gd1Y1Ni0.7半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.82，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为30%；图2(b)为Mg97.3Gd1Y1Ni0.7合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图2表明所制备的Mg97.3Gd1Y1Ni0.7合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例3：Mg97.3Y2Ni0.7镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：97.3%，Y：2%，Ni：0.7%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg97.3Y2Ni0.7合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为552℃，而Mg相熔化温度的温度为595℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择572℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图3(a) 为Mg97.3Y2Ni0.7合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.82，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为30%；图3(b)为Mg97.3Y2Ni0.7合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图3表明所制备的Mg97.3Y2Ni0.7合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例4：Mg95.9Gd3Ni1.1镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：95.9%，Gd：3%，Ni：1.1%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Ni为原料，按照Mg95.9Gd3Ni1.1合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为537℃，而Mg相熔化温度的温度为595℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择557℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图4(a) 为Mg95.9Gd3Ni1.1合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为38%；图4(b)为Mg95.9Gd3Ni1.1合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图4表明所制备的Mg95.9Gd3Ni1.1合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例5：Mg95.9Gd1.5Y1.5Ni1.1镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：95.9%，Gd：1.5%， Y：1.5%，Ni：1.1%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg95.9Gd1.5Y1.5Ni1.1合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd、纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为545℃，而Mg相熔化温度的温度为586℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择565℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图5(a) 为Mg95.9Gd1.5Y1.5Ni1.1半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为38%；图5(b)为Mg95.9Gd1.5Y1.5Ni1.1合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图5表明所制备的Mg95.9Gd1.5Y1.5Ni1.1合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例6：Mg95.9Y3Ni1.1镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：95.9%， Y：3%，Ni：1.1%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg95.9Y3Ni1.1合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为552℃，而Mg相熔化温度的温度为598℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择572℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图6(a) 为Mg95.9Y3Ni1.1合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为38%；图6(b)为Mg95.9Y3Ni1.1合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图6表明所制备的Mg95.9Y3Ni1.1合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例7：Mg94.5Gd4Ni1.5镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：94.5%，Gd：4%，Ni：1.5%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Ni为原料，按照Mg94.5Gd4Ni1.5合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为537℃，而Mg相熔化温度的温度为593℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择557℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图7(a) 为Mg94.5Gd4Ni1.5合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.82，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为45%；图7(b)为Mg94.5Gd4Ni1.5合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图7表明所制备的Mg94.5Gd4Ni1.5合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例8：Mg94.5Gd2Y2Ni1.5镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：94.5%，Gd：2%， Y：2%，Ni：1.5%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Gd、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg94.5Gd2Y2Ni1.5合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd、纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为545℃，而Mg相熔化温度的温度为583℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择565℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图8(a) 为Mg94.5Gd2Y2Ni1.5半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为45%；图8(b)为Mg94.5Gd2Y2Ni1.5合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图8表明所制备的Mg94.5Gd2Y2Ni1.5合金半固态坯料有着优良的半固态组织。
实施例9：Mg94.5Y4Ni1.5镁合金半固态坯料，该坯料包含以下组成（按原子百分比）：Mg：94.5%， Y：4%，Ni：1.5%。
该合金的半固态坯料的制备方法如下：
以纯Mg、纯Y、纯Ni为原料，按照Mg94.5Y4Ni1.5合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭。
对母合金锭进行热分析表明，母合金锭中的长周期结构相熔化温度为552℃，而Mg相熔化温度的温度为591℃；在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度区间，选择572℃为等温热处理温度，进行等温热处理，保温 20min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
图9(a) 为Mg94.5Y4Ni1.5合金半固态坯料的微观显微组织，其中亮白色为Mg相固相颗粒，圆整度为0.83，而暗黑色为长周期结构相，体积分数为45%；图9(b)为Mg94.5Y4Ni1.5合金半固态坯料的XRD图谱，表明半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成。图9表明所制备的Mg94.5Y4Ni1.5合金半固态坯料有着优良的半固态组织。

Claims (4)

1.一种长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料，其特征在于：其成分组成（原子百分比）表示为：Mg100-x-yRExNiy，其中RE为Gd、Y两种元素中至少一种，2＜x＜4，0.7＜y＜1.5。
2.根据权利要求1所述长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料，其特征在于：半固态坯料由Mg相和长周期结构相组成，且长周期结构相的体积分数不低于30%。
3.一种长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料的制备方法，其特征在于：以纯Mg、纯Gd、纯Y、纯Ni为原料，按照权利要求1所述镁合金配方配料；首先将Mg熔化后温度升至760℃，之后加入纯Gd、纯Y和纯Ni，随后将升温至790℃保温90 min，并搅拌均匀；然后降温至690℃保温5 min，随后将金属液体以30℃/s 的冷却速度冷却，凝固获得母合金锭；最后将母合金锭置于热处理炉中，在高于长周期结构相熔化温度而低于Mg相熔化温度的温度范围内任选一个温度进行等温热处理，保温 10～30 min，之后水淬获得镁合金半固态坯料。
4.根据权利要求3所述的长周期结构相增强Mg-RE-Ni镁合金半固态坯料的制备方法中，等温热处理的最佳温度为高于长周期结构相熔化温度 20℃，最佳保温时间为 20 min。
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