CN111070814B - 一种三明治结构金属材料及其制备方法 - Google Patents

一种三明治结构金属材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111070814B
CN111070814B CN201911406615.3A CN201911406615A CN111070814B CN 111070814 B CN111070814 B CN 111070814B CN 201911406615 A CN201911406615 A CN 201911406615A CN 111070814 B CN111070814 B CN 111070814B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
alloy
temperature
sandwich structure
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911406615.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111070814A (zh
Inventor
刘轲
郭成龙
杜文博
李淑波
王朝辉
杜宪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201911406615.3A priority Critical patent/CN111070814B/zh
Publication of CN111070814A publication Critical patent/CN111070814A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111070814B publication Critical patent/CN111070814B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/04—Alloys based on magnesium with zinc or cadmium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/06—Alloys based on magnesium with a rare earth metal as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2250/00—Layers arrangement
    • B32B2250/03—3 layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/06—Coating on the layer surface on metal layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/28—Multiple coating on one surface

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

一种三明治结构金属材料及其制备方法，可作为复合材料用于镁合金防护。该金属结构的组成元素为Mg、RE、Zn，其中RE的质量百分含量为15～30％，Zn的质量百分含量为10～25％，余量为Mg。本发明通过一定的熔炼工艺、合金成分配比等关键技术参数制备了一种三明治结构金属材料。该材料由三种物质层组成，一层为Mg‑Zn相，一层为准晶相I相，另一层则为LPSO相，这三种不同类型的金属间化合物形成了一种自生的三明治结构金属材料。该材料及制备方法可用于获得镁合金原位自生防护涂层。

Description

一种三明治结构金属材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三明治结构金属材料及其制备方法。具体涉及通过一定的合金成分，熔炼工艺制备这种新型的三明治结构材料。这种材料具有明显的应用特征，可作为复合材料用于镁合金防护。
背景技术
目前，镁合金是金属结构材料中密度最低的、继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被称之为21世纪的绿色工程材料。因此，镁合金往往被用在航空航天以及军工产品领域。然而，镁是活泼金属，其标准电极电位为-2.37V(酸性溶液，298K)，在腐蚀介质中生成疏松多孔的氢氧化物膜，不能对基体起到保护作用，尤其在富含有Cl-的腐蚀介质中腐蚀破坏性更大，这使镁合金在工业领域中的应用受到限制。
由于耐蚀性能不佳，镁合金在使用过程中很容易被腐蚀损坏。镁合金的腐蚀性能差与合金中的第二相有关。第二相的自腐蚀电位一般比基相的高，如AZ镁合金中的相(Mg17Al12)有很高的自腐蚀电位，其析出氢气比镁合金基相容易，因此它通过电偶效应而加速镁合金腐蚀的驱动力很大。镁合金耐蚀性差的主要原因并不是热力学的不稳定性，而是表面无法自然形成具有保护性的表面膜。目前，除了采用提高合金纯度、合金化外，利用表面改性、表面镀层等方法可有效减缓镁合金的腐蚀。阳极氧化、微弧氧化和有机涂装技术已被广泛应用于工业领域，气相沉积和激光表面改性等技术受限于设备、技术而处于探索阶段。
稀土元素对合金具有独特的“净化”“细化”“强化”“合金化”的作用。因此，稀土元素往往成为提升镁合金力学性能、机械加工性能的首选合金化元素。稀土元素(RE)可与Zn、Mg元素反应，根据溶质原子Zn/RE的加入比例，可在熔体凝固过程中控制Mg-Zn-RE三元相的形成种类，目前常见的Mg-Zn-RE三元相分别为I相、W相及LPSO相，其中I相、LPSO相可提高镁合金的耐蚀性能。
长周期叠层结构(LPSO相)为Mg-Zn-Y镁合金中常见的三元相，可显著提高材料的力学性能。该相最早由罗志平发现并报道。目前，已报到的力学性能最佳的镁合金为LPSO相强化的Mg90.65Y6.84Zn2.51(质量百分比)合金，其室温屈服强度可达610MPa，它被认为是目前强度最高的镁合金。但是，该制备方法(RS/PM)过于复杂，成本较高且生产效率低。随后，河村能人采用常规挤压制备技术，获得了LPSO相强化的Mg-Zn-Y合金，经挤压加工处理后，该合金的室温屈服强度为375MPa，延伸为率4％。I相(Mg3Zn6Y)为除了长周期叠层结构外，Mg-Zn-RE合金中最常见的另外一种第二相。据报道，已开发的MgZn30Y2.5合金中有花瓣状的准晶，合金的拉伸强度随着I相体积分数含量的增加而升高。
由此可见，LPSO相/I相等是一种有效的强化相，利用强化相对镁合金的增强效应，可以提高镁合金的力学性能。如果利用成分、制备工艺等手段调控合金中的LPSO相/相等获得多层相组成的膜层结构，实现它们的有序分布，覆盖在镁合金表面，既可以强化合金又可以改善镁表面的耐蚀性能，实现一种自生耐蚀膜层的制备与控制，这对改善镁合金的表面性能具有巨大的应用价值。
发明内容
本发明获得了一种三明治结构金属材料及其制备方法，实现镁合金中有益第二相的分层制备与控制，完全获得了三种金属间化合物明显分区的三明治结构金属材料，且金属间化合物间具有良好的界面条件，存在明显的过渡区域，为满足镁合金耐蚀性能的要求而开发了一种原位自生防护涂层的制备技术，该方法简单、实用、有效。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种三明治结构金属材料，其特征在于，该材料由三种物质层组成三明治结构，一层为Mg-Zn相，中间层为准晶相I相，另一层则为LPSO相，这三种不同类型的金属间化合物形成了一种自生的三明治结构金属材料。
所述的三明治结构金属材料选择RE、Zn作为主要合金化元素，其中RE的质量百分含量为15～30％，Zn的质量百分含量为10～25％，余量为Mg。
RE为稀土元素，选自Y，Er，Gd，Dy，Sm及Ho中任意一种。
本发明提供的一种三明治结构金属材料及其制备方法，包括如下的熔炼工艺：
(1)将预热至200-220℃的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温；当炉温升至720-820℃温度区间后，Mg-RE中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮等渣子；(2)然后，降低熔炼温度至700-780℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；(3)继续降低温度至700-760℃，添加Zn，搅拌并除渣；(4)加大加热电流，将温度升至760-800℃后，搅拌合金液，除渣；(5)最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至720-780℃浇注于模具中静止。
进一步优选步骤(2)添加镁锭时，合金液的温度不高于步骤(1)Mg-RE中间合金熔化的温度；步骤(3)添加Zn时的温度不高于步骤(2)添加镁锭时的温度，步骤(4)的温度高于步骤(3)的温度，步骤(5)的温度低于步骤(4)的温度。
本发明的实质性特点及显著进步：
(1)制备了一种新型三明治结构金属材料。
(2)调控熔炼工艺、成分等可调控Mg-Zn相、I相、LPSO相区域的厚度。
(3)Mg-Zn相、I相、LPSO相间分层明显，且相邻的两层间具有明显的过渡区域。
(4)它的应用特征在于可作为镁合金的自生表面涂层。
附图说明
图1.本发明实施例1三明治结构金属材料中的岛状Mg-Zn相层的光学组织。
图2.本发明实施例1三明治结构金属材料中岛状Mg-Zn相层与花瓣状I相层间过渡区域的光学组织。
图3.本发明实施例1三明治结构金属材料中花瓣状I相层的光学组织。
图4.本发明实施例1三明治结构金属材料中花瓣状I相层与长条状LPSO层间过渡区域的光学组织。
图5.本发明实施例1三明治结构金属材料中花瓣状长条状LPSO层光学组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
现将预热至210℃左右的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温。当炉温升至760℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮等渣子；然后，降低熔炼温度至740℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至700℃，添加Zn，搅拌并除渣。加大电流，将温度升至800℃后，搅拌合金液，除渣。最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至780℃浇注于模具中。制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层约占合金块体总体积的35％；I相层约占合金块体总体积的45％；Mg-Zn相约占合金块体总体积的20％。三明治结构材料中Zn含量约为10wt.％,RE(Y)约为30wt.％，余量为Mg。各光学组织见图1。
实施例2
现将预热至210℃左右的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温。当炉温升至740℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮等渣子；然后，降低熔炼温度至720℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至700℃，添加Zn，搅拌并除渣。加大电流，将温度升至780℃后，搅拌合金液，除渣。最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至760℃浇注于模具中。制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层约占合金块体总体积的40％；I相层约占合金块体总体积的35％；Mg-Zn相约占合金块体总体积的25％。三明治结构材料中Zn含量约为15wt.％,RE(Er)约为25wt.％，余量为Mg。
实施例3
现将预热至210℃左右的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温。当炉温升至790℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮等渣子；然后，降低熔炼温度至740℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至720℃，添加Zn，搅拌并除渣。加大电流，将温度升至780℃后，搅拌合金液，除渣。最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至760℃浇注于模具中。制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层约占合金块体总体积的25％；I相层约占合金块体总体积的40％；Mg-Zn相约占合金块体总体积的35％。三明治结构材料中Zn含量约为20wt.％,RE(Sm)约为20wt.％，余量为Mg。
实施例4
现将预热至210℃左右的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温。当炉温升至790℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮等渣子；然后，降低熔炼温度至740℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至720℃，添加Zn，搅拌并除渣。加大电流，将温度升至780℃后，搅拌合金液，除渣。最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至760℃浇注于模具中。制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层约占合金块体总体积的20％；I相层约占合金块体总体积的40％；Mg-Zn相约占合金块体总体积的40％。三明治结构材料中Zn含量约为25wt.％,RE(Y)约为15wt.％，余量为Mg。
实施例2-4具有与实施例基本相似的光学结构图。

Claims (3)

1.一种三明治结构金属材料，其特征在于，该材料由三种物质层组成三明治结构，一层为Mg-Zn相，中间层为准晶相I相，另一层则为LPSO相，这三种不同类型的金属间化合物形成了一种自生的三明治结构金属材料；
其制备方法包括以下步骤：
将预热至210℃的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温； 当炉温升至760℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮渣子；然后，降低熔炼温度至740℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至700℃，添加Zn，搅拌并除渣；加大电流，将温度升至800℃后，搅拌合金液，除渣；最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至780℃浇注于模具中；制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层占合金块体总体积的35％；I相层占合金块体总体积的45％；Mg-Zn相占合金块体总体积的20％；三明治结构材料中Zn含量为10wt.％,RE为30wt.％，余量为Mg。
2.一种三明治结构金属材料，其特征在于，该材料由三种物质层组成三明治结构，一层为Mg-Zn相，中间层为准晶相I相，另一层则为LPSO相，这三种不同类型的金属间化合物形成了一种自生的三明治结构金属材料；
其制备方法包括以下步骤：
将预热至210℃的Mg-RE中间合金放置于坩埚中，SF6/CO2混合气体保护下进行升温；当炉温升至790℃温度区间，中间合金熔化，保温15-25分钟后，搅拌并除掉合金液表面的氧化皮渣子；然后，降低熔炼温度至740℃，添加镁锭，保温10-20分钟后，搅拌并除渣子；继续降低温度至720℃，添加Zn，搅拌并除渣；加大电流，将温度升至780℃后，搅拌合金液，除渣；最后，将合金液在该温度下保温、静止半小时以上，待合金液冷却至760℃浇注于模具中，制得三明治结构金属材料，其中LPSO相层占合金块体总体积的20％；I相层占合金块体总体积的40％；Mg-Zn相占合金块体总体积的40％；三明治结构材料中Zn含量为25wt.％,RE为15wt.％，余量为Mg。
3.权利要求1或2所述的一种三明治结构金属材料的应用，用于镁合金原位自生防护涂层。
CN201911406615.3A 2019-12-31 2019-12-31 一种三明治结构金属材料及其制备方法 Active CN111070814B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911406615.3A CN111070814B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种三明治结构金属材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911406615.3A CN111070814B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种三明治结构金属材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111070814A CN111070814A (zh) 2020-04-28
CN111070814B true CN111070814B (zh) 2022-01-14

Family

ID=70320421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911406615.3A Active CN111070814B (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种三明治结构金属材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111070814B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024060115A1 (zh) * 2022-09-22 2024-03-28 南方科技大学 一种含防护层的热电器件及制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101781720A (zh) * 2009-12-28 2010-07-21 西安理工大学 Mg2Si强化镁合金的制备方法
CN102618770A (zh) * 2012-03-27 2012-08-01 北京工业大学 一种超高强多用途轻质合金、熔炼工艺及应用
CN103820661A (zh) * 2014-02-27 2014-05-28 上海交通大学 稀土镁合金的半固态浆料制备方法
CN104018049A (zh) * 2014-06-04 2014-09-03 北京工业大学 一种超塑性镁合金及其制备方法
CN108374099A (zh) * 2018-04-11 2018-08-07 河北工业大学 一种长周期结构颗粒增强镁基/铝基复合材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101781720A (zh) * 2009-12-28 2010-07-21 西安理工大学 Mg2Si强化镁合金的制备方法
CN102618770A (zh) * 2012-03-27 2012-08-01 北京工业大学 一种超高强多用途轻质合金、熔炼工艺及应用
CN103820661A (zh) * 2014-02-27 2014-05-28 上海交通大学 稀土镁合金的半固态浆料制备方法
CN104018049A (zh) * 2014-06-04 2014-09-03 北京工业大学 一种超塑性镁合金及其制备方法
CN108374099A (zh) * 2018-04-11 2018-08-07 河北工业大学 一种长周期结构颗粒增强镁基/铝基复合材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111070814A (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11976343B2 (en) High strength aluminium alloy for rapid solidification manufacturing processes
WO2019034837A1 (en) METHOD FOR FORMING A CAST ALUMINUM ALLOY
CN105624494B (zh) 一种含稀土元素的耐蚀变形镁合金及其制备方法
JP2011021274A (ja) 再生マグネシウム合金とその製造方法およびマグネシウム合金
CN110592435A (zh) 一种轻量化铝合金型材
EP3399060B1 (en) Method for manufacturing magnesium alloy having excellent mechanical properties and corrosion resistance
CN102978478A (zh) Al-Fe-Mn-RE铝合金及其制备方法和电力电缆
CN102978457A (zh) Al-Fe-Nb-RE铝合金及其制备方法和电力电缆
CN111070814B (zh) 一种三明治结构金属材料及其制备方法
US20120258809A1 (en) Copper-tin multicomponent bronze containing hard phases, production process and use
CN108251731A (zh) 一种稀土镁合金及其制备方法
WO2018117521A1 (ko) 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법
CN112795797B (zh) 一种制备高强韧铝基高熵合金复合带材的方法
CN110004328B (zh) 一种耐蚀铸造铝锂合金及其制备方法
CN114717453B (zh) 一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法
CN107354355B (zh) 一种铸造镁合金及其制备方法
CN103014419A (zh) Al-Fe-Ge-RE铝合金及其制备方法和电力电缆
CN105734349A (zh) 一种高强韧性铸造铝合金及其制备方法
CN109295357A (zh) 一种高耐磨性的铝合金及其制备方法
CN109161767A (zh) 一种含w相的抗蠕变性能镁合金及其制备方法
CN104498785A (zh) 一种Al-Mg-Er-Zr耐热铝合金及其制备工艺
CN110607471B (zh) Sr、Zr、Ti三元复合微合金化Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备方法
CN109536802B (zh) 高强韧Mg-Zn-Y-Mn-Mo-B合金及制备方法
CN109943759B (zh) 适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Er合金及其制备方法
CN113403501A (zh) 一种电弧增材用超高韧钛合金及钛合金结构件的制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant