CN107641750A

CN107641750A - 原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107641750A
Application number: CN201710718985.5A
Authority: CN
Inventors: 鲁若鹏; 赵宇宏; 王敬丰; 侯华; 程鹏; 丁志兵
Original assignee: North University of China
Current assignee: Kang Mei Technology Development Co ltd
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: CN107641750B

Abstract

本发明原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法，属于复合材料技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法；解决该技术问题采用的技术方案为：原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金，所述镁合金由下述重量百分含量的元素组成：Gd 9‑12%、Zn 1.5‑4%、Y 3‑5%、Si 1‑4%、Ti 0.7‑0.9%，杂质＜0.1%，余量为Mg；本发明工艺简单，可移植性强，容易操作，成本较低，可广泛应用于航空航天、轨道交通和纺织工艺领域。

Description

原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金及其制备方法，具体涉及原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、阻尼减震性好等优点，在汽车、航空航天等领域有着广泛的应用前景。近年来，航空航天及交通运输工具的发展迅速，所需的动力功率越来越大，构件的稳定可靠性要求高，对镁合金的刚度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求，也就需求高强高模量镁合金。

通常，金属的弹性模量对组织变化不敏感，因此需要引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相来提高基体金属的弹性模量。针对提升镁合金模量这一问题，通常以引入高模量第二相的方式来实现，但是常规外加增强体（如Ti粉、SiC、碳纳米管等）与基体之间存在界面问题，常规铸造难以保证镁基复合材料中增强相的均匀性。而航空航天镁合金部件大多因结构复杂、尺寸大而采用铸造方法生产，因此通过引入高模量第二相的方式在工艺上也存在诸多问题。另一方面，合金化是提高合金力学性能的有效手段，目前已有通过内生单一增强相的方式实现合金模量的提升，但多集中在变形镁合金。专利CN104046870A中，就采用在镁合金中添加Al、Si、Zn等元素形成高模量相，来提升了镁合金的弹性模量，获得高强高模量变形镁合金。提高镁合金特别是铸造镁合金的弹性模量是发展镁合金材料中需要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供了一种原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明工艺简单，可移植性强，且容易操作，成本较低，适用于航空航天、轨道交通、纺织工艺等领域的工业化生产。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金，所述镁合金由下述重量百分含量的元素组成：Gd 9-12%、Zn 1.5-4%、Y 3-5%、Si 1-4%、Ti 0.7-0.9%，杂质＜0.1%，余量为Mg。

进一步地，所述镁合金由下述重量百分含量的元素组成：Gd 10.8%、Zn 2.8%、Y5.3%、Si 3.1%、Ti 0.8%，杂质＜0.1%，余量为Mg。

所述原位自生沉淀相为亚微米至微米级Mg₂Si、Gd₅Si₃、YSi₂强化相。

原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：（a）按照各元素的重量百分含量Gd 9-12%、Zn 1.5-4%、Y 3-5%、Si 1-4%、Ti 0.7-0.9%进行配料，置于真空熔炼炉中熔炼后用低碳钢金属模具浇注得到合金铸锭，并在熔炼过程中通入氩气进行保护；（b）采取双级固溶工艺，先将合金铸锭在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理12-30小时。

上述步骤中，所述元素Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金为原料，Zn和Ti分别以纯Zn粉和纯Ti粉为原料；所述Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。

浇注前将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、合金体系设计的优点：现有技术中多采用外加陶瓷强化体来提高镁合金的模量，但都存在一个界面结合问题。通过单一强化相的添加来提高镁合金的弹性模量，往往在保证模量的同时，造成塑性的恶化，且存在熔炼工艺复杂、可靠性差等问题。为了避免上述问题，本发明采用合金化的手段，引入了多种内生纳米级强化相进行镁合金材料的复合增强；本发明通过合成成分的设计含量，在镁合金复合添加引入了高模量Mg₂Si相与LPSO相，并结合热处理工艺，时效（较高温度放置）析出纳米级沉淀相，实现镁合金模量与强塑性的同步提升。

2、第二相控制技术：稀土与过渡族元素可形成LPSO相，其与镁合金基体呈现共格或半共格状态，在含量超过35%时可显著提高合金模量与强度，并依然保证良好的塑性；Si在稀土镁合金体系中可形成高模量的Mg₂Si、Gd₅Si₃、YSi₂等强化相，这些原位强化颗粒细小（通常为亚微米至微米级），因而具有十分显著的强化效果；

3、铸造相组织优化控制技术：在制备镁合金中引入高模量第二相的时候，容易产生大块第二相，从而造成合金塑性的恶化。本发明中添加了少量的Ti元素，Ti可以细化合金晶粒，还是一种良好的强化相，并与镁基体之间的润湿性较好。同时，Ti多分布于晶界处，由于Ti属于表面活性元素，它可以促进稀土原子向镁基体中扩散，并在凝固过程中结晶前沿富集而阻止了三元相的生长，从而使半连续网状的三元相改变为断续状，改善合金的铸造性能。

4、双极固溶工艺：本发明中是通过多种相组织复合增强来提升合金的强度与模量，在热处理工艺中，选用了采取双级固溶工艺，先将合金铸锭在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效12~30小时，可时效析出纳米级沉淀相，实现合金力学与模量等性能的最优匹配。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

按照重量百分含量Gd 9.2%、Zn 1.6%、Y 3.7%、Si 2.0%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理16小时。

对该合金性能进行抗拉力学性能测试，检测结果表明该合金具有良好的力学性能，其抗拉强度为320MPa，屈服强度为210Mpa，延伸率为5.5%，弹性模量为52GPa。

实施例2：

按照重量百分含量Gd 9.7%、Zn 2.4%、Y 4.4%、Si 2.5%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理20小时。

对该合金性能进行抗拉力学性能测试，检测结果表明该合金具有良好的力学性能，其抗拉强度为308MPa，屈服强度为216Mpa，延伸率为4.6%，弹性模量为54GPa。

实施例3：

按照重量百分含量Gd 10.8%、Zn 2.8%、Y 5.3%、Si 3.1%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理26小时。

对该合金性能进行抗拉力学性能测试，检测结果表明该合金具有良好的力学性能，其抗拉强度为302MPa，屈服强度为218Mpa，延伸率为3.2%，弹性模量为57GPa。

实施例4：

按照重量百分含量Gd 9%、Zn 1.5%、Y 3%、Si 1%、Ti 0.7%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理12小时。

实施例5：

按照重量百分含量Gd 12%、Zn 4%、Y 5%、Si 4%、Ti 0.9%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理30小时。

实施例6：

按照重量百分含量Gd 10.6%、Zn 3.7%、Y 4.2%、Si 3.1%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理25小时。

实施例7：

按照重量百分含量Gd 11%、Zn 2%、Y 4%、Si 3%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

然后将铸锭切割取样，放在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理18小时。

实施例8：

按照重量百分含量Gd 11.5%、Zn 2.9%、Y 3.8%、Si 1.8%、Ti 0.8%，配比合金，在真空熔炼炉中熔炼铸锭，并通入氩气进行保护。Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金加入，Zn与Ti则采用纯Zn、Ti粉的形式加入。其中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。在820℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在750℃静置保温5分钟。同时，将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂，然后进行浇注，从而获得铸锭。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从那一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金，其特征在于,所述镁合金由下述重量百分含量的元素组成：Gd 9-12%、Zn 1.5-4%、Y 3-5%、Si 1-4%、Ti 0.7-0.9%，杂质＜0.1%，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金，其特征在于,所述镁合金由下述重量百分含量的元素组成：Gd 10.8%、Zn 2.8%、Y 5.3%、Si 3.1%、Ti 0.8%，杂质＜0.1%，余量为Mg。

3.根据权利要求1或2所述的原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金，其特征在于,所述原位自生沉淀相为Mg₂Si、Gd₅Si₃、YSi₂强化相。

4.根据权利要求1所述的原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：（a）按照各元素的重量百分含量Gd 9-12%、Zn 1.5-4%、Y 3-5%、Si1-4%、Ti 0.7-0.9%进行配料，置于真空熔炼炉中熔炼后用低碳钢金属模具浇注得到合金铸锭，并在熔炼过程中通入氩气进行保护；（b）采取双级固溶工艺，先将合金铸锭在460℃固溶6小时，然后在530℃固溶3小时，最后在220℃时效处理12-30小时。

5.根据权利要求4所述的原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金的制备方法，其特征在于，所述元素Gd、Y、Si分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Si中间合金为原料，Zn和Ti分别以纯Zn粉和纯Ti粉为原料；所述Mg-Gd中间合金中Gd的质量分数为30%，Mg-Y中间合金中Y的质量分数为30%，Mg-Si中间合金中Si的质量分数为5%。

6.根据权利要求4所述的原位自生沉淀相增强的高强高模量镁合金的制备方法，其特征在于，浇注前将低碳钢金属模具预热到250℃，然后在模具内壁喷上速干性高温润滑脱模剂。