CN108774722A

CN108774722A - 一种纳米异构镁合金时效热处理工艺

Info

Publication number: CN108774722A
Application number: CN201810740460.6A
Authority: CN
Inventors: 万迎春; 刘楚明; 高永浩; 蒋树农; 余世伦; 陈志永
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-07-07
Filing date: 2018-07-07
Publication date: 2018-11-09

Abstract

本发明涉及一种纳米异构镁合金时效热处理工艺。所述镁合金为Mg‑Gd‑Y‑Zr合金，将镁合金棒材进行旋锻变形，控制旋锻温度为0~400℃，控制道次变形量为10~20%，控制总变形量为5~80%，控制进料速度为3~8mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金，将所得纳米异构镁合金在80~150℃下进行一级时效处理，处理时间为5~30h，将一级时效后的合金在160~240℃下进行二级时效处理，处理时间为10~60h，经时效处理后纳米异构镁合金较未时效态抗拉强度提高100~180MPa、屈服强度提高100~180MPa。

Description

一种纳米异构镁合金时效热处理工艺

技术领域

本发明涉及纳米金属材料领域，特别涉及一种纳米异构镁合金时效热处理工艺。

背景技术

纳米结构材料具有优异的物理性能、化学性能以及力学性能，具有广泛的应用前景。然而纳米结构材料塑性较低、难以制备，这严重阻碍了其研究及应用进程。相较于纳米结构材料，纳米异构材料具有塑性更高、更易于制备等优点，具有极高的应用研究价值。

镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高阻尼等优点，作为新一代轻质结构材料，其优异的减重特性对航空航天、交通运输等领域具有重要意义。然而现有镁合金力学性能偏低，难以满足航空航天等领域对于高性能材料的需求。制备纳米异构镁合金并研究其时效热处理工艺对制备高强甚至超高强镁合金具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种纳米异构镁合金时效热处理工艺，包括以下具体步骤：

a．所述镁合金为Mg-Gd-Y-Zr合金，将镁合金棒材进行旋锻变形，控制旋锻温度为0~400℃，控制道次变形量为10~20%，控制总变形量为5~80%，控制进料速度为3~8mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金；

b．将所得纳米异构镁合金在80~150℃下进行一级时效处理，处理时间为5~30h；

c．将一级时效后的合金在160~240℃下进行二级时效处理，处理时间为10~60h。

所述一级时效处理，是将所得纳米异构镁合金在100~150℃处理5~30h。

所述二级时效处理，是将一级时效处理后的合金在160~220℃下进行二级时效处理，处理时间为20~60h。

本发明涉及的纳米异构镁合金时效热处理难点在于，纳米异构镁合金存在几方面的不均匀：

1.晶粒尺寸不均匀，挤压-旋锻方法制备的纳米异构镁合金晶粒尺寸为30nm~2μm；

2.内应力分布不均匀，已经发生再结晶的纳米晶区域内应力较小，尚未发生再结晶的超细晶区内应力很大；

3.微区成分不均匀，旋锻过程中发生的晶界原子偏聚以及形成的晶内原子团簇导致变形后的纳米异构镁合金在几十纳米范围内的微区内存在成分不均匀。

纳米异构镁合金存在的组织及成分不均匀决定了其在时效热处理过程中易出现以下几个问题：

1.在纳米异构镁合金中，晶粒尺寸不同的区域热稳定性不同，晶粒越小、热稳定性越差。时效处理过程中必须保证不发生晶粒长大，因而纳米晶区与超细晶区可承受的最高时效温度不同；

2.相较于稀土元素贫化区，稀土元素富集区更容易发生稀土元素的脱溶，导致两种区域的时效分解行为不同步；

3.稀土富集区具有更高的第二相形核及长大动力，极易形成粗大的块状稳定相，块状稳定相会剧烈降低合金的力学性能；

4.内应力具有诱导第二相形核及长大的作用，相较于低应力区，高应力区具有更高的第二相形核及长大动力，因而在高应力区容易形成粗大的块状稳定相，块状稳定相的形成会剧烈降低合金力学性能。

本发明的优点有：

1.将挤压棒材进行旋锻变形。首先，旋锻变形可实现高的静水压应力，降低镁合金的开裂倾向，提高总变形量；其次，旋锻变形可实现高的应变速率，高应变速率可提高镁合金开裂前可累积的位错密度、高密度位错诱发镁合金内部形成纳米量级亚结构、进而形成纳米晶；再次，旋锻变形可在沿棒材直径不同部位形成不同应力场，激发不同的变形机制，形成连续变化的组织，制得纳米异构镁合金。

2.本发明提供了一种双级时效热处理工艺。在第一级时效过程中，旋锻变形产生的大部分内应力被消除，内应力过高极易导致粗大的块状稳定相的产生，因而第一级时效是不可或缺的。为了保证时效过程中不发生晶粒长大，因而第一级时效温度应该尽量低，但过低的温度难以实现消除内应力，本发明结合理论分析与大量试验，最终验证100~150℃为该纳米异构镁合金最佳的第一级时效处理温度，并探索出5~20h是合适的时效处理时间，既能保证大部分内应力被消除，且不发生晶粒长大。

3.第二级时效处理过程中，主要发生固溶体分解、第二相形核并长大。时效温度过高、时效时间过长，都易导致块状富稀土相生成，但时效温度过低、时效时间过短则不能达到时效强化效果。本发明结合理论分析与大量试验，最终确定在160~220℃时效10~60h，能保证纳米晶区和超细晶区都达到峰时效状态，同时又不产生粗大的块状稳定相。

具体实施方式

实施例1

所用合金成分为Mg-6Gd-3Y-0.2Zr，将合金挤压棒材在25℃进行旋锻变形，道次变形量分别为10%、10%、20%，总变形量为35％，控制进料速度为5mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金。将所得纳米异构镁合金在135℃进行第一级时效处理，时效时间30h，然后在220℃下进行第二级时效处理，时效时间40h。

根据GB/T228-2002对时效态合金进行力学性能测试并与时效前合金进行对比，结果表明，对比于未时效纳米异构镁合金，时效态合金抗拉强度提高140MPa，屈服强度提高130MPa。

实施例2

所用合金成分为Mg-6Gd-3Y-0.2Zr，将合金挤压棒材在25℃进行旋锻变形，道次变形量分别为10%、10%、20%，总变形量为35％，控制进料速度为5mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金。将所得纳米异构镁合金在100℃进行第一级时效处理，时效时间20h，然后在160℃下进行第二级时效处理，时效时间60h。根据GB/T228-2002对时效态镁合金进行力学性能测试并与时效前合金进行对比，结果表明，对比于未时效纳米异构镁合金，时效态合金抗拉强度提高175MPa，屈服强度提高155MPa。

实施例3

所用合金成分为Mg-6Gd-3Y-0.2Zr，将合金挤压棒材在25℃进行旋锻变形，道次变形量分别为10%、10%、20%，总变形量为35％，控制进料速度为5mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金。将所得纳米异构镁合金在150℃进行第一级时效处理，时效时间5h，然后在200℃下进行第二级时效处理，时效时间50h。根据GB/T228-2002对时效态镁合金进行力学性能测试并与时效前合金进行对比，结果表明，对比于未时效纳米异构镁合金，时效态合金抗拉强度提高110MPa，屈服强度提高130MPa。

Claims

1.一种纳米异构镁合金时效热处理工艺，所述镁合金为Mg-Gd-Y-Zr合金，其特征在于包括以下过程：将镁合金棒材进行旋锻变形，控制旋锻温度为0~400℃，控制道次变形量为10~20%，控制总变形量为5~80%，控制进料速度为3~8mm/min，每2道次变形后改变进料方向，获得纳米异构镁合金，将所得纳米异构镁合金在80~150℃下进行一级时效处理，处理时间为5~30h，将一级时效后的合金在160~240℃下进行二级时效处理，处理时间为10~60h。

2.根据权利要求1所述纳米异构镁合金时效热处理工艺，其特征在于：所述一级时效处理，是将所得纳米异构镁合金在100~150℃处理5~30h。

3.根据权利要求1所述纳米异构镁合金时效热处理工艺，其特征在于：所述二级时效处理，是将一级时效处理后的合金在160~220℃下进行二级时效处理，处理时间为20~60h。