CN109082582B - 一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金技术领域，公开了一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金及制备方法，以Mg为基，选取对镁合金增强、增硬有益的主元元素Al、Gd、Y和Zn，开发出高强韧性、高硬度的镁基高熵合金及其制备方法。本发明的镁基高熵合金，其工程应力‑应变曲线具有明显的加工硬化特征，显微硬度为HV103.3～HV123.7，室温抗拉强度为458.01～496.65MP，断后压缩率为14.83～17.28％的镁基高熵合金，并且本发明中的镁基高熵合金的制备方法简单、条件易控制。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，涉及一种基于高熵合金思想设计的具有高强韧性、高硬度MgAlGdYZn镁基高熵合金及制备方法。
背景技术
镁合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度高、比刚度高、阻尼性能好的特点，广泛应用于航空、航天、通讯、汽车等行业。但铸造镁合金强度较低，即便是强度最高的Mg-Ga-Y-Zn铸造合金，其强度也仅在350～380MPa，延伸率在9～12％，硬度低于100HV。镁合金的绝对强度、硬度不足，已成为镁合金研究领域的一个瓶颈。
目前提高镁合金强度与韧性的主要方法是多元合金化，通过固溶强化等提高镁合金的性能，但往往会形成化合物相，它们可削弱合金元素的固溶度效应，也恶化了合金的塑性。
20世纪90年代，叶均蔚打破传统的合金设计理念，首次在CoCrFeNiCu系合金中提出高熵合金的概念：此合金须具有五个及五个以上主要元素，且每个主元素原子百分比应介于5％至35％，而每个次要元素则小于5％(J.M.Yeh,S.K.Chen,S.J.Lin,J.Y.Gan,T.S.Chin,T.T.Shun,C.H.Tsau,S.Y.Chang.Nanostructured high-entropy alloys withmultiple principal elements:novel alloy design concepts and outcomes[J].Adv.Eng.Mat.6(2004)299-303.)。目前，高熵合金主要围绕Fe基、Co基和Al基等展开的(张博文.FeCrVTi基高熵合金微观组织及性能研究[D].合肥工业大学,2017.)(房伟峰.CuCrFeNiMn基高熵合金的微观组织和耐腐蚀性能研究[D].郑州大学,2014.)，关于镁基的研究报道极少。近年来，李锐等(李锐.高锰含量镁锰中间合金及高熵镁合金制备工艺与性能研究[D].重庆大学,2009.DOI:10.7666/d.y1666537.)首次利用高混合熵的概念设计了Mgx(MnAlZnCu)100-x合金，研究表明Mgx(MnAlZnCu)100-x系合金最高硬度可达440HV，最高抗压强度为490MPa，但合金的断后压缩率均小于3％，为典型的脆性材料。R.Li等人(R.Li etal.Microstructure and Mechanical Properties of MgMnAlZnCu High Entropy AlloyCooling in Three Conditions[J].Materials Science Forum,Vol.686,pp.235-241,2011.)采用等原子比和高熵混合思想设计了MgMnAlZnCu合金，合金具有较高的抗压强度(428MPa-450MPa)和硬度(431HV-467HV)但塑性差(3.29％-5.53％)。尹可心等(尹可心,武保林.高熵合金Al7Mg3.6Cu1.2Zn7Ti1.2的制备与组织结构分析[J].沈阳航空航天大学学报,2015,32(3):25-30.)制备出了Al7Mg3.6Cu1.2Zn7Ti1.2含镁高熵合金，抗压强度可高达到572.89MPa，但其脆性依然较大，其断后压缩率为5.56％。可见，目前所公开报道的镁基高熵合金同Fe基、Co基一样，均为脆性材料。高混合熵合金脆性大成为其应用的一个瓶颈。因此利用高熵合金概念设计新型镁合金，在提高镁合金强硬性的同时，提高镁合金塑韧性就成为目前亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高熵合金思想设计的镁基合金及制备方法。通过向镁中加入四种金属元素形成固溶体，获得具有高强韧性、高硬度的镁基高熵合金，并且该镁基高熵合金的制备方法简单、条件易控制。
本发明的具体技术方案为：
一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金，该镁基高熵合金包含Mg、Al、Gd、Y、Zn五种元素，各组分原子百分比(at.％)为：Mg:30～35％、Al:20～25％、Gd:15～20％、Y:10～15％、Zn:10～15％。
上述镁基高熵合金，其显微硬度为HV103.3～HV123.7，室温抗压强度为458.01～496.65MPa，断后压缩率为14.83～17.28％。
上述一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，包括如下步骤：
(1)熔炼：根据镁基高熵合金中各成分的目标含量，取纯度为99.9wt.％的Al锭、纯度为99.9wt.％的Zn锭、Mg-30Y中间合金和Mg-30Gd中间合金，置于真空熔炼炉的坩埚中进行熔炼，保温搅拌混合均匀，得到合金液体；
(2)浇铸：将合金液体浇注到带有水冷系统的石墨铸型中，冷却至室温后从石墨铸型中取出合金铸锭即得。
上述的镁基高熵合金的制备方法中，所述步骤(1)中使用真空熔炼炉进行熔炼时真空度为0.024Pa，熔化温度为740～820℃，保温时间为15～20min。
上述的镁基高熵合金的制备方法中，所述步骤(2)中合金液体浇注的温度为700～780℃。
上述的镁基高熵合金的制备方法中，所述步骤(2)中水冷系统温度恒温为20℃。
本发明以提高镁合金强韧性为目的，基于高熵合金材料成分设计新思想，以Mg为基，主元元素包含Al、Gd、Y和Zn与Mg具有明显“固溶度效应”、且对镁合金增强、增硬有益的合金元素，开发出高强韧性、高硬度的镁基高熵合金。
本发明中，各金属组元熔化后在搅拌作用下混合均匀。高熵合金组元众多，混合熵大，由吉布斯自由能方程ΔG＝ΔH-TΔS可以看出，高熵效应能显著降低熔体系统的自由能ΔG，使各元素处于混合状态时比形成金属间化合物更加稳定。因此熔体快速凝固后，不产生复杂的金属间化合物，而形成原子堆垛紧密的固溶体结构；虽然各组元密度不同，但来不及产生宏观偏析，从而保证了显微结构和宏观成分的均匀性。
本发明的有益效果是：
本发明在镁合金设计成分上进行突破，改变以往只添加2-3种元素来改善性能。基于高熵合金设计理念，添加四种或四种元素以上，利用高熵效应形成固溶体，产生固溶强化，提高了镁合金的整体性能，得到了显微硬度为HV101.4～HV128.4，室温抗压强度为458.01～496.65MPa，断后压缩率为14.83～17.28％的镁基高熵合金。
附图说明
图1是实施例1的金相照片：(a)100x,(b)200x,(c)500x,(d)1000x；
图2是实施例2的金相照片：(a)100x,(b)200x,(c)500x,(d)1000x；
图3是实施例3的金相照片：(a)100x,(b)200x,(c)500x,(d)1000x；
图4是实施例4的金相照片：(a)100x,(b)200x,(c)500x,(d)1000x；
图5是实施例1室温下工程应力-应变曲线图；
图6是实施例2室温下工程应力-应变曲线图；
图7是实施例3室温下工程应力-应变曲线图；
图8是实施例4室温下工程应力-应变曲线图；
具体实施方式
实施例1：
一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，包括以下步骤：按镁基高熵合金中原子百分比(at.％)Mg:35％、Al:25％、Gd:20％、Y:10％、Zn:10％，取纯度为99.9wt.％的Al锭5.43g和Zn锭5.26g、Mg-30Y中间合金23.85g和Mg-30Gd中间合金84.36g置于坩埚中进行熔炼。熔化温度为760℃(保温15min)，浇铸温度为740℃。将合金液体浇铸到石墨铸型中(水冷)，得到Mg35Al25Gd20Y10Zn10合金铸锭。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷29.42N，保压时间10秒)，硬度为HV115.6。所得合金铸锭通过UTM-5305电子万能试验机压缩测定，室温抗压强度为496.65MPa、延伸率15.42％。
实施例2：
一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，包括以下步骤：按镁基高熵合金中原子百分比(at.％)Mg:35％、Al:20％、Gd:20％、Y:10％、Zn:15％，取纯度为99.9wt.％的Al锭4.21g和Zn锭7.65g、Mg-30Y中间合金23.13g和Mg-30Gd中间合金81.83g置于坩埚中进行熔炼。熔化温度为760℃(保温15min)，浇铸温度为740℃。将合金液体浇铸到石墨铸型中(水冷)，得到Mg35Al20Gd20Y10Zn15合金铸锭。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷29.42N，保压时间10秒)，硬度为HV103.3。所得合金铸锭通过UTM-5305电子万能试验机压缩测定，室温抗压强度为481.48MPa、延伸率17.28％。
实施例3：
一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，包括以下步骤：按镁基高熵合金中原子百分比(at.％)Mg:30％、Al:25％、Gd:20％、Y:15％、Zn:10％，取纯度为99.9wt.％的Al锭4.128g和Zn锭4.002g、Mg-30Y中间合金27.20g和Mg-30Gd中间合金64.16g置于坩埚中进行熔炼。熔化温度为760℃(保温15min)，浇铸温度为740℃。将合金液体浇铸到石墨铸型中(水冷)，得到Mg30Al25Gd20Y15Zn10合金铸锭。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷29.42N，保压时间10秒)，硬度为HV123.7。所得合金铸锭通过UTM-5305电子万能试验机压缩测定，室温抗压强度为458.23MPa、延伸率16.35％。
实施例4：
一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，包括以下步骤：按镁基高熵合金中原子百分比(at.％)Mg:35％、Al:25％、Gd:15％、Y:15％、Zn:10％，取纯度为99.9wt.％的Al锭5.744g和Zn锭5.568g、Mg-30Y中间合金37.86g和Mg-30Gd中间合金66.96g置于坩埚中进行熔炼。熔化温度为760℃(保温15min)，浇铸温度为740℃。将合金液体浇铸到石墨铸型中(水冷)，得到Mg35Al25Gd15Y15Zn10合金铸锭。所得合金铸锭通过显微硬度计测定(载荷29.42N，保压时间10秒)，硬度为HV111.4。所得合金铸锭通过UTM-5305电子万能试验机压缩测定，室温抗压强度为458.01MPa、延伸率14.83％。
Claims (7)
1.一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金，其特征在于，该镁基高熵合金由Mg、Al、Gd、Y、Zn五种元素组成，各组分原子百分比(at.％)为：Mg:30～35％、Al:20～25％、Gd:15～20％、Y:10～15％、Zn:10～15％。
2.根据权利要求1所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金，其特征在于，该镁基高熵合金显微硬度为HV103.3～HV123.7，室温抗压强度为458.01～496.65MPa，断后压缩率为14.83～17.28％。
3.权利要求1或2所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)熔炼：根据镁基高熵合金中各成分的目标含量，取纯度为99.9wt.％的Al锭、纯度为99.9wt.％的Zn锭、Mg-30Y中间合金和Mg-30Gd中间合金，置于真空熔炼炉的坩埚中进行熔炼，保温搅拌混合均匀，得到合金液体；
(2)浇铸：将合金液体浇注到带有水冷系统的石墨铸型中，冷却至室温后从石墨铸型中取出合金铸锭即得。
4.根据权利要求3所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用真空熔炼炉进行熔炼时真空度为0.024Pa，熔化温度为740～820℃，保温时间为15～20min。
5.根据权利要求3或4所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中合金液体浇注的温度为700～780℃。
6.根据权利要求3或4所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水冷系统温度恒温为20℃。
7.根据权利要求5所述高强韧性高硬度的镁基高熵合金制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水冷系统温度恒温为20℃。
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