CN112941383B

CN112941383B - 一种含有非晶增强相的镁合金材料及其制备方法与应用

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Publication number: CN112941383B
Application number: CN202110118254.3A
Authority: CN
Inventors: 刘运腾; 杨帆; 赵东清; 周吉学; 刘洪涛; 吴建华; 王美芳; 宋令慧
Original assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: New Material Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-01-28
Also published as: CN112941383A

Abstract

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种含有非晶增强相的镁合金材料及其制备方法与应用，本方法采用两步冷却进行制备，即在合金凝固过程中，先在缓慢冷却条件下，通过一次枝晶偏析过程的溶质再分配，在镁合金残余液相中得到非晶增强相的成分，然后进行快速冷却制备非晶增强相。本发明通过铸造方法而非粉末冶金方法制备了非晶增强相镁合金材料，并且通过本发明方法可以制备工业用较大尺寸铸锭或铸件，降低了材料的制备成本，提高了非晶增强相镁合金的应用范围。

Description

一种含有非晶增强相的镁合金材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种含有非晶增强相的镁合金材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车、生物医疗、石油装备和电子领域都有巨大的发展潜力。但镁合金较低的力学性能，限制了其进一步发展与应用范围。目前，提高镁合金强度的主要途径之一是第二相增强，第二相包括：长周期堆垛有序结构(LPSO)相、沉淀相、准晶相、非晶相、陶瓷相、金属间化合物、异质金属及合金等等。非晶增强相合金材料大多通过粉末冶金、热压烧结技术，在合金中加入异质非晶合金体系相，以提高材料的强度。

非晶合金也被称金属玻璃，是不存在位错、晶界、层错等晶体缺陷的亚稳态材料，常用的非晶合金体系主要包括：铁基、镁基、锆基、钴基和镧系元素基等。非晶材料在结构上具有长程无序、短程有序和各向同性等特点，并呈现出高强度、高硬度和良好的耐腐蚀性能。非晶合金一般采用快速凝固冶金技术制备，如甩带法、水淬法、铜模铸造法、吸入铸造法等。

其中，采用熔铸方法制备含有非晶增强相的合金材料是一种可行的策略，但该方法的关键在于需要解决合金成分和凝固工艺的问题，在快速冷却条件下合金偏析或溶质再分配会受到抑制，无法在残余液相中得到适合制备非晶相的合金成分；缓慢冷却过程中合金虽然可能偏析得到非晶成分，但冷却速度不足也无法得到亚稳态的非晶相，这就是制备非晶增强相合金材料的一个难点，也是阻碍非晶增强相合金材料广泛应用的重要因素之一。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种含有非晶增强相的镁合金材料及其制备方法及其应用，本方法采用两步冷却进行制备，即在合金凝固过程中，先在缓慢冷却条件下，通过一次枝晶偏析过程的溶质再分配，在镁合金残余液相中得到非晶增强相的成分，然后进行快速冷却制备非晶增强相。采用该方法可以生产大尺寸的铸坯、铸棒，进而加工成高性能镁合金型材、板材、棒材等。

为了实现上述目的，本发明第一方面采用提供一种含有非晶增强相的镁合金材料的制备方法，具体为：将Mg-Gd-Cu-Ni镁合金通过两步冷却铸造工艺制备得到含有非晶增强相的镁合金材料；

所述的两步冷却铸造工艺是指，先将合金从熔点之上20～100℃，以1～5K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以大于30K/s的冷却速度快速降温至室温；

所述的Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～20.0％、Cu1.0～10.0％、Ni 0.1～10.0％、Ag 0～5.0％、Pd 0～5.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

本发明第二方面提供一种上述制备方法得到的含有非晶增强相的镁合金材料。

本发明第三方面提供一种上述含有非晶增强相的镁合金材料在航空航天、汽车、生物医疗、石油装备和电子领域中的应用。

本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)本发明通过Gd、Cu、Ni/Ag/Pd元素成分设计和两步冷却铸造工艺，可以在凝固过程中先通过非平衡凝固的成分偏析得到MgCuGd、MgCuAgGd或MgCuAgPdGd的残余液相成分，进而通过满足非晶液相的成分的快速冷却制备非晶增强相镁合金材料；同时，Ni元素的加入，使得在合金中形成Mg₂Ni相，具有细化镁合金晶粒尺寸的作用，提高了材料的力学性能。

(2)本发明通过铸造方法而非粉末冶金方法制备了非晶增强相镁合金材料，并且通过本发明方法可以制备工业用较大尺寸铸锭或铸件，降低了材料的制备成本，提高了非晶增强相镁合金的应用范围。

(3)本发明制备的非晶增强相镁合金材料，通过热变形工艺进一步提高了材料的力学性能；与现有技术相比，本发明通过制备的含有非晶增强相的镁合金材料，具有较高的抗拉强度和屈服强度，可以满足各领域对高强镁合金材料的需求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1中制备的镁合金材料的显微组织图。

图2为对比例1中制备的镁合金材料的显微组织图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中采用熔铸方法制备含有非晶增强相的合金材料需要解决合金成分和凝固工艺的问题，为了解决该问题，本发明提出了一种含有非晶增强相的镁合金材料的制备方法，具体为：将Mg-Gd-Cu-Ni镁合金通过两步冷却铸造工艺制备得到含有非晶增强相的镁合金材料；

所述两步冷却铸造工艺是指，先将合金从熔点之上20～100℃，以1～5K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以大于30K/s的冷却速度快速降温至室温。

其中，熔铸过程通过较缓慢冷却的非平衡凝固实现枝晶偏析，获得镁合金固溶体和残余液相，进而将符合非晶成分的残余液相，例如Mg₆₅Cu₂₅Gd₁₀、Mg₆₅Cu₁₅Ag₁₀Gd₁₀、Mg₆₅Cu₁₅Ag₅Pd₅Gd₁₀等，上述成分残余液相可以在大于30K/s冷却速度下制备非晶。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～10.0％、Cu 1.0～5.0％、Ni 0.1～2.0％、Ag 0～2.0％、Pd 0～2.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～5.0％、Cu 1.0～2.0％、Ni 0.1～1.0％、Ag 0～1.0％、Pd 0～1.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述两步冷却铸造工艺是指，先将合金从熔点之上20～100℃，以1-3K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以大于50K/s的冷却速度快速降温至室温。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述两步冷却铸造工艺是指，将合金从熔点之上20～100℃，以2K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以100K/s的冷却速度快速降温至室温。

在本发明的一个或多个实施方式中，铸造过程加入电磁搅拌，目的是为了获得较小的一次枝晶臂间距组织，细化晶粒。

在本发明的一个或多个实施方式中，电磁搅拌，工艺参数为：电流60～200mA，频率10～50Hz。

在本发明的一个或多个实施方式中，两步冷却铸造工艺后，通过热变形方式进一步提高含有非晶增强相的镁合金材料的力学性能，变形温度低于420℃。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

一种含有非晶增强相的Mg-2.5wt％Gd-1.0wt％Cu-0.2wt％Ni镁合金铸锭的制备方法，是先将合金从700℃浇注温度，以2K/s冷却速度缓慢降至460℃，保温1min；然后以100K/s的速度降至室温。

铸造过程加入电磁搅拌，工艺参数为：电流60mA，频率30Hz。

将上述镁合金铸锭以380℃，挤压比为20，挤压速度为2m/min的工艺条件挤压成棒材。

实施例2

一种含有非晶增强相的Mg-3.0wt％Gd-2.0wt％Cu-0.5wt％Ni-2.0wt％Ag镁合金铸锭的制备方法，是先将合金从710℃浇注温度，以1K/s冷却速度缓慢降至465℃，保温1min；然后以100K/s的速度降至室温。

铸造过程加入电磁搅拌，工艺参数为：电流60mA，频率30Hz。

将上述镁合金铸锭以360℃，挤压比为15，挤压速度为3m/min的工艺条件挤压成棒材。

实施例3

一种含有非晶增强相的Mg-4.0wt％Gd-2.0wt％Cu-0.5wt％Ni-2.0wt％Ag-2.0wt％Pd镁合金铸锭的制备方法，是先将合金从690℃浇注温度，以1K/s冷却速度缓慢降至470℃，保温1min；然后以50K/s的速度降至室温。

铸造过程加入电磁搅拌，工艺参数为：电流60mA，频率30Hz。

对比例1

与实施例1的区别在于，铸造过程中直接以50K/s的冷却速度制备铸锭。

对比例2

与实施例1的区别在于，铸造过程中直接以1K/s的冷却速度制备铸锭。

对比例3

与实施例1的区别在于，挤压成棒材的工艺条件为挤压温度为440℃。

对比例4

与实施例2的区别在于，合金成分为Mg-3.0wt％Gd-0.5wt％Ni。

对比例5

与实施例3的区别在于，合金成分为Mg-1.0wt％Gd-2.0wt％Cu-0.5wt％Ni。

本发明实施例及对比例的合金力学性能如表1所示，力学性能测试方法依据GB T228.1-2010执行。

表1镁合金型材室温力学性能

	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率	备注
					实施例1	310	295	16％	挤压棒材
实施例2	325	300	14％	挤压棒材
					实施例3	240	185	6％	铸锭
对比例1	280	265	15％	挤压棒材
					对比例2	245	220	13％	挤压棒材
对比例3	286	260	15％	挤压棒材
					对比例4	258	220	18％	挤压棒材
对比例5	210	150	7％	铸锭

图1为实施例1中制备的镁合金材料的显微组织图，从图1可以看出，本发明所提供的方法成功制备出含有非晶相的镁合金材料，而对比例1中制备的镁合金材料的显微组织图如图2所示，没有形成非晶相。

通过表1中的数据可以得出：采用本发明方法制备出的含有非晶增强相的镁合金材料，无论最终得到的是挤压棒材还是铸锭，抗拉强度和屈服强度均显著优于对比例。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含有非晶增强相的镁合金材料的制备方法，其特征在于：将Mg-Gd-Cu-Ni镁合金通过两步冷却铸造工艺制备得到含有非晶增强相的镁合金材料；

所述的Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～20.0％、Cu 1.0～10.0％、Ni 0.1～10.0％、Ag 0～5.0％、Pd 0～5.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～10.0％、Cu 1.0～5.0％、Ni 0.1～2.0％、Ag 0～2.0％、Pd0～2.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的Mg-Gd-Cu-Ni镁合金中每种金属成分的重量百分比为：Gd 2.0～5.0％、Cu 1.0～2.0％、Ni 0.1～1.0％、Ag 0～1.0％、Pd 0～1.0％、不可避免杂质≤0.05％，其余为镁。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的两步冷却铸造工艺是指，先将合金从熔点之上20～100℃，以1-3K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以大于50K/s的冷却速度快速降温至室温。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：将合金从熔点之上20～100℃，以2K/s冷却速度缓慢降到共晶点温度之上1～30℃，保温1～5min；然后以100K/s的冷却速度快速降温至室温。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：铸造过程加入电磁搅拌。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：电磁搅拌的工艺参数为：电流60～200mA，频率10～50Hz。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：两步冷却铸造工艺后，通过热变形方式进一步提高含有非晶增强相的镁合金材料的力学性能，所述变形温度低于420℃。

9.权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的含有非晶增强相的镁合金材料。

10.权利要求9所述的含有非晶增强相的镁合金材料在航空航天、汽车、生物医疗、石油装备和电子领域中的应用。