CN109868380B - 一种多尺度析出强化镁合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多尺度析出强化镁合金的制备方法，包含：制屑、混屑、预压实、挤压、多尺度析出等工序，其特征在于：选用两种或两种以上不同时效硬化行为的镁合金，充分混合它们的碎屑后进行热塑性变形，通过高温、高应变时效碎屑的机械合金化，获得致密、多合金成分尺度的混合的坯料。通过时效热处理，使异构镁合金材料发生多尺度析出，获得综合性能优异的高强高韧镁合金材料。

Description

一种多尺度析出强化镁合金材料的制备方法

技术领域

本发明涉及多尺度析出强化镁合金的制备技术，具体是一种通过异种碎屑混合的方法，配合以特定的塑性变形和热处理调控微观结构，制备大块多尺度析出强化镁合金的技术。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，在国防军事、航空航天、汽车、电子通信等领域中正得到日益广泛的应用。相比于铝合金、钛合金等其他轻金属结构材料，镁合金的强度和韧性都较差。大量研究表明，通过添加稀土合金元素，引入析出强化，是目前镁合金最有效的强化机制之一。稀土元素在镁合金基体中形成高密度纳米级的析出相，对位错运动产生强烈的阻碍作用，从而大幅度的提高镁合金的强度。此外，析出强化镁合金的析出相，在高温时比晶界的稳定性更高，因此，析出强化的镁合金在高温变形时，往往具有更高，更稳定的力学性能。但是，已有的研究结果表明，金属材料中位错的产生具有显著的尺寸效应。以纳米晶为例，当晶粒尺寸小于100nm时，纳米晶内部就很难产生大量的位错。而时效强化镁合金的析出相的间距通常只有几十纳米，弥散分布的析出相将粗大的晶粒分割成许多纳米单元，在这些单元里位错难以形成和运动。因此，通过时效析出强化的镁合金材料的韧性会出现大幅降低，大大限制了析出强化镁合金在实际生产中的应用。

经对现有技术的文献检索发现，X.L.Ma等人在《Scripta Materialia》材料快报，2015，103：57-60上发表的“Strain hardening and ductility in a coarse-grain/nanostructure laminate material”(粗晶/纳米晶层片状材料的应力硬化和韧性研究)一文中，介绍了一种利用高压扭转变形制备层片状Cu合金材料，并通过热处理获得粗晶/纳米晶的多晶粒尺度结构，其中纳米晶层的晶粒尺寸为100nm左右，而粗晶层的晶粒尺寸为4μm。该技术的特点如下：(1)制备的材料界面结合质量好；(2)制得的板材的拉伸性能在维持纳米晶Cu的高强度，同时由于其还具备超强的应变硬化能力，使该材料还在一定程度上保持了粗晶Cu的优异的均匀延伸率。该技术在一定程度上解决了纳米晶Cu因位错尺寸效应而导致低韧性。但是，由于镁合金本身的变形能力很差，通过高压扭转制备层片状镁合金需要在高温下进行，技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高温易于使晶粒尺寸发生长大，无法得到纳米级或亚微米级的晶粒；(3)高压扭转获得的样品尺寸太小，并且对设备、模具的要求很高；(4)层片状多尺度材料的强韧化性能具有明显的方向性，限制了其在很多对多向受力有要求的部件上的应用。

进一步检索发现，X.L.Wu等人在《Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America》美国科学院院报，2015，47：14501-14505上发表的“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength withcoarse-grain ductility”(高强高韧粗细晶混合层片状结构材料)一文中，介绍了一种通过变形和热处理等工艺，调控纯Ti的微观结构至超细晶与粗晶混合的状态，综合利用超细晶的超高强度和粗晶的超高韧性，以及由粗细两种不同结构变形行为不一致性诱发的背应力强化，制备出强度接近1GPa，均匀延伸率10％左右的高强高韧纯Ti板材。该技术的特点是：(1)、制得的多晶粒尺度块体板材，不存在界面氧化夹杂等问题；(2)、通过不同工艺控制混晶的比例、层厚等微观结构，从而获得不同力学性能的高强高韧Ti板材。但是，这种方式制备的混晶材料组元较为单一，且耐热性较差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种通过异种碎屑混合的方式，配合以特定的塑性变形和热处理方式，制备多尺度析出强化镁合金的技术。所用的变形可以是常规挤压、等通道角式挤压、往复挤压、反复镦压等三向受压的变形技术，对两种或两种以上不同成分的镁合金碎屑进行高温高应变塑性变形，利用高温变形，将镁碎屑焊合，挤压制得多成分混合的镁合金块体材料。并利用时效处理，在块体材料内形成非均匀析出，从而获得不同析出强化程度的软硬相。在变形过程中，软硬相之间形成显著的背应力强化，从而获得高强高韧析出强化镁合金。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，制屑：选择两种或两种以上不同合金含量的析出强化具有不同程度的时效硬化行为的镁合金；采用微型立式铣床，在气氛保护箱内对镁合金铸锭进行碎屑铣制，根据需求，切屑尺寸的选择在进给量0.01至1mm之间；采用微型破碎机，对铣制的粗屑进行精细化破碎，进一步减小碎屑大小，改善碎屑大小的均匀性；

镁合金屑表面氧化会引起材料界面氧化夹杂和结合性差等问题，因此需要在隔氧的惰性气体保护气氛下，进行镁合金制屑工艺；

第二步，混屑和预压实：在隔氧和惰性气体保护氛围下，采用机械震动、搅拌、摇匀，进行异种镁合金切屑混合；混屑时间为0.1至2小时，震动、搅拌、摇匀频率为10-200赫兹。混屑完成后，将装有混合细屑的钢制模具放在压力机上，压制成混合细屑预制快。压机工作的压强为100-1000兆帕，保压时间为1-10分钟，获得的预制块相对密度为75％-98％之间；压制完成后，对样品进行真空封装后，取出气氛保护箱备用。

第三步，挤压：挤压变形分为常规挤压和大塑性变形挤压两步进行。在真空炉中预热预压坯料1-30分钟，预热温度范围在200～500℃，挤压比为5:1至50:1。对挤压所得棒材进行1～20道次的往复挤压或等通道角挤压，挤压温度为300～500℃。

第四步，多尺度析出：对混合并充分压实的多成分样品进行真空固溶处理，消除变形缺陷和变形过程中的动态析出相。固溶温度选择450～540℃之间，固溶时间为1～12个小时。在油浴下，对样品进行时效处理，时效温度为150～250℃之间，处理时间为0.5～250小时。

本发明相与现有技术相比具有显著优点如下：

1.本发明专利采用双合金或者多合金碎屑混合方法，具有极大的微观结构设计指向性和灵活性，可根据需求调整合金选择，制备出一系列多尺度析出强化镁合金。制得的合金在一定程度上兼得软相和硬相的韧性和强度，获得综合性能出色的高强高韧双系或多系析出强化镁合金。

2.本发明析出强化镁合金具有较好的耐热性能，且韧性远远高于常规均匀析出的镁合金。混合析出微观结构无明显的方向性，适于在多向受力部件上应用。

3.本发明可制备大尺寸挤压棒材、板材，对设备、模具要求较低。

4.本发明原材料可选择工业废屑，制备方法工艺简便，回收率高，成本低，节能环保，安全性高，相比于常规工业废屑回收，本发明对分类和提纯等常见难题具有更大的适应性。

附图说明

图1为实施例制屑示意图。

图2为实施例混屑和预压实示意图。

图3为实施例挤压示意图。

图4为实施例多尺度析出示意图。

图5为实施例时效析出透射电镜图。

其中1为真空手套箱，2为微型铣床，3为微型破碎机，4为搅拌器，5为压制模具，6为微型压机，7为预制块，8为真空炉，9为挤压模具，10为往复挤压模具，11是油浴炉。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述。如图1-4所示，以下实施例涉及四步工序包括：制屑、预压实、挤压、多尺度析出，其中：

实施例1

(1)在真空手套箱1的氩气保护气氛围下，使用微型铣床2，进行Mg-3Y和Mg-8Y两种合金的碎屑制备，铣削进给为0.3mm，获得厚度0.3mm左右的粗屑。采用微型破碎机3，对铣制的粗屑进行精细化破碎，减小并均匀化碎屑长度至0.3～0.5mm备用。

(2)在手套箱1内用搅拌器4对Mg-3Y和Mg-8Y碎屑进行震动、搅拌、摇匀等机械混合，混屑时间为30分钟，使用频率为50赫兹。混屑完成后填入钢制压制模具5，型腔尺寸为

圆形。使用微型压机6对碎屑进行预压成型，压强为40MPa，保压时间为10分钟，获得预制块7相对密度为80％左右。压制完成后，对样品进行真空封装，取出手套箱备用。

(3)用真空炉8对预压混屑镁锭7进行真空氩气氛围加热，加热温度450℃，并用挤压模具9进行

到

的常规挤压变形。挤压所得棒材在往复挤压模具10进行8道次的

至

的往复挤压，挤压温度为500℃。通过高温多道次往复挤压，显著提高材料致密度至99％以上。混屑样品制备完毕，其微观结构示意图如图3所示。

(4)用真空炉8，在氩气保护氛围下，对样品进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，并使变形时动态析出的Y元素重新回溶至基体中。然后，在油浴炉11中，对固溶态样品进行200℃，256小时的时效处理，完成加工。获得的多尺度析出强化Mg-Y合金，其微观结构示意图如图4c和d所示。由于Mg-3Y和Mg-8Y在200℃下的时效析出硬化效果不同，如图4e所示，多尺度析出强化Mg-Y镁合金具有硬度110Hv的Mg-8Y硬化结构和硬度为50Hv的Mg-3Y软相结构混合的特征。如图5所示，Mg-3Y在处理后镁基体内基本未发现时效析出相，而Mg-8Y在同样条件下热处理后，基体内发现高密度的Y元素析出结构。本专利通过所述的混屑机械合金化技术，成功制得不同尺度析出强化的高性能镁合金。

实施例2

(1)在真空手套箱1的氩气保护气氛围下，使用微型铣床2，进行Mg-5Y和Mg-11Y两种合金的碎屑制备，铣削进给为0.3mm，获得厚度0.3mm左右的粗屑。采用微型破碎机3，对铣制的粗屑进行精细化破碎，减小并均匀化碎屑长度至0.3～0.5mm备用。

(2)在手套箱1内用搅拌器4对Mg-5Y和Mg-11Y碎屑进行震动、搅拌、摇匀等机械混合，混屑时间为30分钟，使用频率为50赫兹。混屑完成后填入钢制压制模具5，型腔尺寸为

圆形。使用微型压机6对碎屑进行预压成型，压强为40MPa，保压时间为10分钟，获得预制块7相对密度为80％左右。压制完成后，对样品进行真空封装，取出手套箱备用。

(3)用真空炉8对预压混屑镁锭7进行真空氩气氛围加热，加热温度450℃，并用挤压模具9进行

到

的常规挤压变形。挤压所得棒材在往复挤压模具10进行8道次的

至

的往复挤压，挤压温度为500℃。通过高温多道次往复挤压，显著提高材料致密度至99％以上。混屑样品制备完毕，其微观结构示意图如图3所示。

(4)用真空炉8，在氩气保护氛围下，对样品进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，并使变形时动态析出的Y元素重新回溶至基体中。然后，在油浴炉11中，对固溶态样品进行200℃，128小时的时效处理，完成加工。获得的多尺度析出强化Mg-Y合金。其微观结构类似于示意图如图4c和d所示。由于Mg-3Y和Mg-8Y在200℃下的时效析出硬化效果不同。多尺度析出强化Mg-Y镁合金具Mg-11Y硬化结构和Mg-5Y软相结构混合的特征。

实施例3

(1)在真空手套箱1的氩气保护气氛围下，使用微型铣床2，进行Mg-5Y、Mg-8Y和Mg-11Y三种合金的碎屑制备，铣削进给为0.3mm，获得厚度0.3mm左右的粗屑。采用微型破碎机3，对铣制的粗屑进行精细化破碎，减小并均匀化碎屑长度至0.3～0.5mm备用。

(2)在手套箱1内用搅拌器4对Mg-5Y、Mg-8Y和Mg-11Y碎屑进行震动、搅拌、摇匀等机械混合，混屑时间为30分钟，使用频率为50赫兹。混屑完成后填入钢制压制模具5，型腔尺寸为

圆形。使用微型压机6对碎屑进行预压成型，压强为40MPa，保压时间为10分钟，获得预制块7相对密度为80％左右。压制完成后，对样品进行真空封装，取出手套箱备用。

(3)用真空炉8对预压混屑镁锭7进行真空氩气氛围加热，加热温度450℃，并用挤压模具9进行

到

的常规挤压变形。挤压所得棒材在往复挤压模具10进行8道次的

至

的往复挤压，挤压温度为500℃。通过高温多道次往复挤压，显著提高材料致密度至99％以上。混屑样品制备完毕，其微观结构示意图如图3所示。

(4)用真空炉8，在氩气保护氛围下，对样品进行500℃，12小时的固溶处理，消除变形对材料的影响，并使变形时动态析出的Y元素重新回溶至基体中。然后，在油浴炉11中，对固溶态样品进行200℃，256小时的时效处理，完成加工。获得的多尺度析出强化Mg-Y合金。由于Mg-5Y、Mg-8Y和Mg-11Y在200℃下的时效析出硬化效果不同。多尺度析出强化Mg-Y镁合金具Mg-11Y和Mg-8Y硬化结构和Mg-5Y软相结构混合的特征。

Claims (2)

1.一种多尺度析出强化镁合金的制备方法，其特征在于，包含：制屑、混屑和预压实、挤压、多尺度析出四步工序，具体步骤为：选用两种或多种不同时效硬化行为的镁合金铸锭进行碎屑铣制，再将充分混合后的碎屑进行热塑性变形，通过高温、高应变使碎屑机械合金化，获得致密、多尺度混合的坯料；通过后续时效处理，在多种碎屑中形成多尺度析出相，获得多尺度析出强化镁合金材料；

制屑流程为：制屑工艺在隔氧和惰性气体保护氛围下进行，采用微型立式铣床铣制粗屑，再使用微型破碎机对铣制的粗屑进行精细化破碎，获得细小均匀的精屑；

所述制屑切屑的进给量在0.01至1mm之间，选择的惰性保护气体为氩气；

混屑和预压实流程为：混屑和预压实工艺在隔氧和惰性气体保护氛围下进行，采用机械振动、搅拌、摇匀，在频率10~200赫兹下对异种镁合金切屑进行混合，混合时间为0.1~2小时；预压的工作压强为100~1000兆帕，保压时间为1~10分钟，压制温度为25~200℃，获得预压制块致密度为75%~98%之间；

热塑性变形由常规挤压和大塑性变形挤压两步组成；流程为：预热在真空炉中进行，预热时间为1~30分钟，预热温度范围在200~500 ℃，挤压比为5:1~50:1；挤压完成后对所得棒材进行1~20道次的往复挤压或者等通道角挤压，挤压温度范围在300~500 ℃；

多尺度析出流程为：需先对材料进行真空固溶处理，消除变形缺陷和变形过程中的动态析出，固溶温度选择450~540℃之间，固溶时间为1~12小时；在油浴环境下对样品进行0.5~250小时的时效处理，时效温度为150~250℃之间。

2.一种根据权利要求1所述的方法制备的多尺度析出强化镁合金。

Images