CN107312989A - 一种含有lpso结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金的制备方法 - Google Patents

一种含有lpso结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含有LPSO结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金的制备方法，其步骤包括：A、将Mg‑Y‑Zn合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中进行16～24道次连续ECAP 加工，获得超细晶块材；B、将超细晶块材沿挤压方向切割成薄板，用铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工2～6道次，同时对试样进行气体保护；上表面加工结束后，对试样的下表面进行相同的加工处理；两侧表面加工结束后，去除铝箔，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金。本发明利用等通道转角挤压和后续高速旋转丝加工获得了含有LPSO相的纳米晶‑超细晶梯度组织，显著提高了合金的综合力学性能。

Description

一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用等通道转角挤压和后续高速旋转丝加工制备含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，属于合金加工技术领域。
背景技术
寻找有效的强韧化相和强韧化结构来提高镁合金的综合力学性能，是现有镁合金发展的重要方向。根据Hall-Petch关系，晶粒细化是提高镁合金强度的有效途径，因而纳米晶镁合金通常具有优异的高强度。然而，随着镁合金的晶粒尺寸细化至纳米级别（＜100nm），合金的韧性和塑性会急剧下降，限制了纳米晶镁合金的应用。超细晶镁合金（100nm～1.5μm）由于晶粒尺寸适宜，往往具有良好的塑性，并且在一定条件下可以获得超塑性。可见，如何构筑有效的结构使纳米晶与超细晶相结合，有望获得综合力学性能优良的高强高塑镁合金。
通过表面纳米化技术使材料表面形成纳米层，并利用梯度过渡到基体内部的粗晶组织从而形成梯度纳米结构，能够实现合金力学性能从表层到内部的梯度变化，有效发挥表面纳米层的高强度和基体粗晶的良好塑性。目前表面纳米化技术已逐渐应用至镁合金中，基于剧烈塑性变形生成梯度纳米结构镁合金的制备方法主要包括表面机械研磨处理（SMAT）、高能球喷丸（HESP）、超声纳米表面调节（UNSM）和超高速火焰超声微粒撞击（HVOF-SMB）等。通过在镁合金表面构筑梯度纳米结构，虽然合金的塑性会略微下降，但合金的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性能等均显著提高，显示了梯度纳米结构的性能优势。
长周期相（LPSO）是近年来镁稀土合金发现的有效强韧化相。通过快速凝固粉末冶金（RS/PM）制备方法获得的LPSO增强Mg97Zn1Y2（at%）合金的室温屈服强度和延伸率分别达到610MPa和5%（Y. Kawamura, et al. Materials Transactions, 42(2001) 1172-1176）。此外，采用热塑性加工、时效处理等制备的含LPSO相镁稀土合金也普遍具有高强度（＞350MPa）或超高强度（＞450MPa），但其塑性普遍较差，延伸率甚至低于5%。Lu等（F. Lu, etal. Journal of Alloys and Compounds, 601(2014) 140-145）利用多道次剧烈塑性变形加工获得了含LPSO相的超细晶Mg-Gd-Zn合金，由于晶粒尺寸和LPSO相微元达到超细晶水平（0.5～1.5μm），合金具有优良的塑性（23%）以及中等强度（387MPa）。
因此，为了实现含LPSO相的镁稀土合金在保持优异塑性的前提下进一步提高其强度，本发明提出了一种在超细晶基础上通过表面纳米化获得高强高塑的含LPSO相的纳米晶-超细晶梯度镁合金材料的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法。
本发明采用的技术方案为：一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其步骤包括：
A、将Mg-Y-Zn合金铸锭进行切割，然后进行连续等通道转角挤压加工，获得均匀的超细晶块材；
B、将上述超细晶块材沿挤压方向切割成1～5mm厚的薄板，用铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用转速为8000～12000r/min、行进速度为1～3mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工2～6道次，加工过程中利用液态二氧化碳进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将薄板的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金；
其中Mg-Y-Zn合金中Y含量为：5～13wt%，Zn含量为：1.67～5.31wt%，且Y：Zn原子比为1.8～2.2，余量为Mg。
步骤B中，钢丝轮的直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm。
步骤B中，铝箔的厚度为0.2～0.5mm。
步骤B中，铝箔的厚度为0.3mm。
步骤B中，每道次高速旋转丝加工的压下量为0.03～0.1mm。
步骤B中，每道次高速旋转丝加工的压下量为0.05mm。
步骤A中，将Mg-Y-Zn合金铸锭进行切割，置于转模等通道转角挤压模具中进行连续等通道转角挤压加工，挤压16～24道次后，获得均匀的超细晶块材。
步骤A中，转模等通道转角挤压加工的温度为350℃。
本发明还公开了上述的方法制备得到的含有LPSO结构的高强高塑纳米晶-超细晶梯度镁合金。
本发明限定Mg-Y-Zn合金的成分范围为：Y：5～13wt%，Zn：1.67～5.31wt%，Y:Zn原子比为1.8～2.2，余量为Mg，可获得LPSO/α-Mg双相镁合金，并有效调节合金中LPSO相的体积分数为14～54%，有利于实现合金不同强度和塑性的设计与搭配。利用350℃时16～24道次连续等通道转角挤压可以获得组织均匀的超细晶组织，超细晶粒的尺寸为0.5～1.5μm，同时LPSO相也发生扭折和细化，同时在剧烈塑形加工过程中还会动态析出尺寸细小的层状14H LPSO结构，这些均可显著提高超细晶镁稀土合金的塑性，使超细晶合金具有优异的塑性（延伸率＞20%），以及适中的强度（抗拉强度＞320 MPa）。
本发明采用高速旋转丝加工对超细晶合金板材进行2～6道次表面剧烈塑性变形，可获得表面纳米级晶粒（50～100nm）和内部超细晶的梯度组织。其中用0.3mm厚的铝箔包裹超细晶薄板的目的是既可以通过铝箔传递剧烈塑性变形的应变给镁合金薄板，使其发生组织纳米化，又可以使铝箔承受钢丝刷的剧烈刮擦作用，避免镁合金薄板表面的组织损伤。刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护是为了隔绝空气，防止镁板表面发生氧化，同时可以降低表面温度，抑制已获得的纳米晶组织的晶粒长大。
有益效果：本发明提供的方法先采用多道次连续等通道转角挤压（ECAP）加工获得具有高塑性和中等强度的含LPSO结构的超细晶镁稀土合金，然后借助高速旋转丝加工对超细晶合金进行表面纳米化，获得具有表面纳米晶和内部超细晶的梯度纳米结构，结合LPSO相强化、表面纳米晶强化、内部超细晶的高塑性以及梯度组织的过渡，获得的镁合金具有以下特性：
（1）表面纳米层的厚度为40～50μm，纳米层晶粒的尺寸为50～100nm，从表面到内部晶粒尺寸逐渐增大，内部为超细晶组织（0.5～1.5μm）。
（2）LPSO相的体积分数为14～54%，通过控制成分调节LPSO相的体积分数，可获得不同强度和塑性组合的梯度镁合金材料。
（3）通过调节薄板厚度，可获得纳米层厚度占薄板厚度的百分比连续变化的纳米晶-超细晶梯度镁合金薄板，通过调节薄板厚度可获得不同强度与塑性组合的梯度镁合金材料。
（4）获得的含LPSO相的纳米晶-超细晶梯度镁合金具有良好的综合力学性能，室温抗拉强度大于350MPa，延伸率大于12%。
附图说明
图1为本发明所用的高速旋转丝加工的示意图。
图2为实施例4中纳米晶-超细晶梯度镁合金沿厚度方向上的硬度分布图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但本发明并不限于以下具体实施例。
实施例1
将成分为Mg-5wt%Y-1.67wt%Zn、Y:Zn原子比为2.2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行16道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成1mm厚的薄板，用厚度为0.2mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为8000r/min、行进速度为1mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，如图1所示，反复加工2道次，保持每道次的压下量为0.03mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例2
将成分为Mg-7wt%Y-2.57wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成2mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为10000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工2道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例3
将成分为Mg-9wt%Y-3.31wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成2mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为10000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工2道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例4
将成分为Mg-11wt%Y-4wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成2mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为10000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工4道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。图2列出了该梯度镁合金的显微硬度和晶粒尺寸沿厚度方向的分布图，可以看出，在镁合金薄板表面，纳米晶的晶粒尺寸约为60nm，其显微硬度为165HV；随着向薄板中心靠近，晶粒尺寸逐渐增大至约1μm，显微硬度下降至120HV。可见，通过该多道次等通道转角挤压+高速旋转丝加工获得了纳米晶-超细晶梯度镁合金，其晶粒尺寸和显微硬度均呈梯度分布。
实施例5
将成分为Mg-12wt%Y-4.41wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成1mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为12000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工4道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例6
将成分为Mg-12wt%Y-4.41wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成3mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为12000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工4道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例7
将成分为Mg-12wt%Y-4.41wt%Zn、Y:Zn原子比为2的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行20道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成5mm厚的薄板，用厚度为0.3mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为12000r/min、行进速度为2mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工4道次，保持每道次的压下量为0.05mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
实施例8
将成分为Mg-13wt%Y-5.31wt%Zn、Y:Zn原子比为1.8的合金铸锭进行切割，置于等通道转角挤压模具中在350℃进行24道次连续等通道转角挤压，获得均匀的超细晶块材；将上述超细晶块材沿挤压方向切割成5mm厚的薄板，用厚度为0.5mm的铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm、转速为12000r/min、行进速度为3mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工6道次，保持每道次的压下量为0.1mm，刮擦过程中利用液态二氧化碳对试样进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将试样的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
对实施例1-8制得镁合金进行室温拉伸力学性能测试，具体数据如表1所示。从表1可以看出，在本发明镁合金成分范围内，获得梯度镁合金的抗拉强度均高于350MPa，延伸率均高于12%，获得了高强度和高塑性的结合。此外，由实施例2、实施例3和实施例4可以看出，在制备工艺相同的条件下，通过改变合金元素含量获得不同体积分数的LPSO相，合金的抗拉强度随LPSO相体积分数的增加逐渐增加，而塑性略微下降，表明调节合金元素含量进而调控LPSO的体积分数可以获得强度和塑性的不同组合。另外，由实施例5、实施例6和实施例7可以看出，在合金成分和制备工艺相同的条件下，通过改变薄板的厚度，也可以实现合金强度和塑性的有效调控。
表1 本发明实施例各合金的室温拉伸力学性能

Claims (9)

1.一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其步骤包括：
A、将Mg-Y-Zn合金铸锭进行切割，然后进行连续等通道转角挤压加工，获得均匀的超细晶块材；
B、将上述超细晶块材沿挤压方向切割成1～5mm厚的薄板，用铝箔包裹薄板的上下表面，并固定于工作台；利用转速为8000～12000r/min、行进速度为1～3mm/s的高速旋转钢丝轮从薄板上表面的一端刮擦至另外一端，反复加工2～6道次，加工过程中利用液态二氧化碳进行气体保护；上表面高速旋转丝加工结束后，将薄板的下表面朝上，继续进行与之前上表面相同工艺的高速旋转丝加工；两侧表面加工结束后，将铝箔从薄板上去除，得到上下表面均为含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金；
其中Mg-Y-Zn合金中Y含量为：5～13wt%，Zn含量为：1.67～5.31wt%，且Y：Zn原子比为1.8～2.2，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤B中，钢丝轮的直径为120mm、厚度为20mm、丝径为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤B中，铝箔的厚度为0.2～0.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤B中，铝箔的厚度为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤B中，每道次高速旋转丝加工的压下量为0.03～0.1mm。
6.根据权利要求5所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤B中，每道次高速旋转丝加工的压下量为0.05mm。
7.根据权利要求1所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤A中，将Mg-Y-Zn合金铸锭进行切割，置于转模等通道转角挤压模具中进行连续等通道转角挤压加工，挤压16～24道次后，获得均匀的超细晶块材。
8.根据权利要求7所述的一种含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金的制备方法，其特征在于：步骤A中，转模等通道转角挤压加工的温度为350℃。
9.权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到含有LPSO结构的纳米晶-超细晶梯度镁合金。
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