CN112941435A - 在高应变率下形成镁基合金制品的方法 - Google Patents

在高应变率下形成镁基合金制品的方法 Download PDF

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Abstract

制备镁基合金组件例如汽车组件的方法，其包括以第一形变过程处理包含镁基合金的铸件以形成预制件。在一方面，在温度大于或等于约250℃至小于或等于约450℃的环境中，此第一形变过程具有大于或等于约0.001/秒至小于或等于约1/秒的第一最高预定应变率。在另一方面，第一形变过程是冷形变，该冷形变之后退火。然后，在温度大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中，使此预制件经受第二形变过程以形成基本上没有裂纹的镁基合金组件，该第二形变过程具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的第二最高预定应变率。还提供了具有选定微结构的固体镁基合金组件。

Description

在高应变率下形成镁基合金制品的方法
技术领域
这部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息并非必须为现有技术。
本公开涉及制备镁基合金组件（例如汽车组件）的方法，该方法通过以第一形变过程处理镁基合金以产生之后可经受高应变率而避免破裂的预制件。
轻质金属组件已成为制造交通工具，尤其是汽车的重要焦点，其中期望的是性能和燃料效率的持续改善。尽管常规钢铁和其他金属合金提供包括高强度的各种性能效益，但是这类材料可能是沉重的。用于汽车应用的轻质金属组件通常由铝和/或镁合金制备。这类轻质金属能够形成牢固且坚硬的承重组件，同时具有好的强度和延展性（即延伸率）。在像汽车这样的交通工具中，高强度和延展性对于安全需求和耐久性来说尤其重要。
尽管含镁合金是可用于形成交通工具中结构组件的轻质金属例子，但是在实际中含镁合金的使用可被限制。尽管含铝合金可通过各种不同成形技术处理包括涉及高应变率的那些，像加工过程例如挤出、辊轧、锻造、流动旋压成形(flow forming)、冲压等，但是通常限制镁基合金为仅经历低应变率（例如小于1/秒）过程，否则它们可能会破裂。希望能够经由各种高应变率过程形成由含镁材料形成的用于交通工具的组件。因此对于改善的成形过程具有不断的需求，从而由含镁合金形成改善的轻质金属组件。
概述
这部分提供本公开的一般概述，并且并非其完整范围或其全部特征的综合性公开。
本公开涉及制备镁基合金组件的方法。此方法可包括以第一形变过程处理包含镁基合金的铸件。第一形变过程具有第一最高预定应变率，该应变率大于或等于约0.001/秒至小于或等于约1/秒。所述第一形变过程在温度大于或等于约250℃至小于或等于约450℃的环境中实施以形成预制件。该镁基合金的组成包含：大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量的镁。此方法还包括使预制件经受第二形变过程，该第二形变过程具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的第二最高预定应变率。所述第二形变过程在温度大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中实施，以形成基本上没有裂纹的镁基合金组件。
在一方面，此预制件包含一种或多种金属间物质，该金属间物质选自：ZnZr、AlMn、MnSc、AlRE（其中RE是稀土元素）及其组合。
在一方面，第一形变过程选自：挤出、锻造、辊轧及其组合。
在一方面，第二形变过程选自：高速辊轧、流动旋压成形、高速锻造、环辊轧以及其组合。
在一方面，在处理之前，本方法还包括热处理铸件，从而使镁基合金均化、形成热稳定的细化(refined)析出物，或使镁基合金均化并且形成热稳定的细化析出物。
在一方面，所述预制件包含基体，该基体包含多个平均尺寸大于或等于约0.1μm至小于或等于约20μm的动态再结晶晶粒，以及多个平均尺寸大于或等于约1μm至小于或等于约200μm的粗晶粒。多个粗晶粒的平均尺寸比动态再结晶晶粒的平均尺寸多出大于或等于50%。
在一方面，镁基合金包含多个区域，该多个区域包含分布在基体中的热稳定细化金属间物质。该基体在处理期间经过动态再结晶以形成细化晶粒，同时在多个区域中动态再结晶被最小化或避免。
在一方面，此方法进一步包括在温度为大于或等于约150℃至小于或等于约300℃的环境中经受大于或等于约2小时至小于或等于约100小时的一段时间后的热处理，以增强镁基合金组件的机械性质。
在一方面，该镁基合金组件为汽车组件，该汽车组件选自：内燃机组件、阀门、活塞、涡轮增压器组件、轮辋、车轮 (wheel)、环 (ring) 以及其组合。
本公开还涉及制备镁基合金组件的方法。本方法可包括在温度小于或等于约200℃的环境中以冷形变过程处理包含镁基合金的铸件从而形成预制件。镁基合金的组成包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量的镁。此方法还可包括使预制件退火。此外，此预制件可在温度大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中经受第二形变过程，该第二形变过程的最高预定应变率为大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒。这形成了基本上没有裂纹的镁基合金组件。
在一方面，第二形变过程选自：高速辊轧、流动旋压成形、高速锻造、环辊轧以及其组合。
在一方面，在处理之前，本方法还包括热处理铸件，从而均化镁基合金、形成热稳定的细化析出物，或均化镁基合金并且形成热稳定的细化析出物。
在一方面，该镁基合金包含多个区域，所述多个区域包含分布在基体中的热稳定的细化析出物。该基体在处理过程中经过静态再结晶以形成细化晶粒，同时在所述多个区域中静态再结晶被最小化或避免。
在一方面，此方法进一步包括在温度大于或等于约150℃至低于或等于约300℃的环境中经受大于或等于约2小时至小于或等于约100小时的一段时间之后的热处理，以增强镁基合金组件的机械性质。
在一方面，退火后此预制件包含一种或多种金属间物质，该金属间物质选自：ZnZr、AlMn、MnSc、AlRE（其中RE是稀土元素）及其组合。
在一方面，镁基合金组件为汽车组件，该汽车组件选自：内燃机组件、阀门、活塞、涡轮增压器组件、轮辋、车轮、环以及其组合。
本公开还涉及固体镁基合金组件。该组件包含微结构，所述微结构具有大于或等于约5面积%至小于或等于约50面积%的细长热稳定晶粒，该晶粒包含平均尺寸大于或等于约1nm至小于或等于约1μm的金属间物质。细长热稳定晶粒分布在基体中，该基体包含平均尺寸大于或等于约0.1μm至小于或等于约20μm的再结晶晶粒。该固体镁基合金组件基本上没有裂纹。
在一方面，基体中的再结晶晶粒为动态再结晶晶粒。
在一方面，该微结构由镁基合金形成，该镁基合金包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量的镁。
在一方面，金属间物质选自：ZnZr、AlMn、MnSc、AlRE（其中RE为稀土元素），及其组合。
在一方面，固体镁基合金组件为汽车组件，该汽车组件选自：内燃机组件、阀门、活塞、涡轮增压器组件、轮辋、车轮、环以及其组合。
另外，适用领域将会由文中所提供的描述而变得显而易见。在本概述中的描述和具体例子仅意为以说明为目的，而并非意为限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅出于对所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且无意于限制本公开的范围。
图1显示了预制件的代表性图解，所述预制件为根据本公开某些方面产生的包含分布在细化晶粒基体中的多个热稳定粗晶粒的镁基合金预制件。
图2显示了根据本公开某些方面产生的包含分布在细化晶粒基体中的多个热稳定粗晶粒的镁基合金预制件的微观图像，该图像的比例尺为100μm。
图3显示了图4中镁基合金预制件的放大视图，其比例尺为20μm。
图4显示了根据本公开的某些方面的经受高应变率过程后的包含分布在动态再结晶晶粒基体中的多个细长粗晶粒的镁基合金组件的代表性示意图。
图5显示了根据本公开某些方面制备的镁基合金的50%形变样品的光学图像。
图6显示了根据本公开某些方面制备的镁基合金的67%形变样品的光学图像。
对应的附图标记表示遍及附图的几个视图的相应部分。
详细描述
提供了例示性实施方案以便详述本发明，并且将该范围充分的传达至本领域技术人员。陈述了许多具体细节（例如具体的组成、组件、设备和方法的例子）以提供对本公开实施方案的全面理解。显而易见地是对本领域技术人员来说不需要使用具体的细节，从而例示性实施方案可由许多不同形式呈现，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些例示性实施方案中，并没有对众所周知的过程、众所周知的设备结构和众所周知的技术进行详细地描述。
本文中用到的术语仅以描述特定例示性实施方案为目的，并且不意为限制。如本文中所用，单数形式“a”、“an”以及“the”可意为也包含复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包含”、“包括”、“含有”以及“具有”是包容性地，并且因此列举所叙述特征、元件、组成、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但是并不排除一种或多种其他特征、整数、步骤、操作、元件、组成和/或其群组的存在或添加。尽管开放式术语“包含”被理解为非限制性术语，该术语被用于描述和要求保护本文中列举出的各种实施方案，但是在某些方面，此术语或者可以替代地被理解为更加限定和限制性的术语，例如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于叙述组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤的任何给定实施方案，本公开还具体地包括由或基本上由这类叙述的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代性实施方案排除任何另外的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，然而在“基本上由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除实质性影响基本和新颖特性的任何另外的组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤，但能够将不实质性影响基本和新颖特性的任何组成、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或过程步骤包括于此实施方案中。
除非明确地确定执行顺序，否则本文中描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可使用另外或可替代性的步骤，除非另有说明。
当组件、元件或层被称为在另一元件或层“上”，“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可直接在另一组件、元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接联接到另一组件、元件或层、或者可存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为在另一元件或层“直接在其上”，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层，则可没有中间元件或层存在。用于描述元件间关系的其他词应以相似的方式理解（即“之间”vs.“直接地之间”，“相邻”vs.“直接相邻”等）。如本文中所用，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目中的任何与全部组合。
尽管术语第一、第二、第三等可用于本文中以描述各个步骤、元件、组件、区域、层和/或部分，但这些步骤、元件、组件、区域、层和或部分不应被这些术语限制，除非另有说明。这些术语可仅被用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或部分与其他步骤、元件、组件、区域、层或部分区分。当在本文中使用时，诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语并不意味着序列或次序，除非在上下文有清楚地说明。因此，下文中讨论的第一步骤、元件、组件、区域、层或部分能够被称为第二步骤、元件、组件、区域、层或部分，而不与例示性实施方案的教导背离。
空间或时间的相对术语，诸如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“底下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在本文中可用于方便描述，以描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间或时间的相对术语的目的可在于，除了图像中描述的方向之外，涵盖使用或操作中设备或体系的不同方向。
遍及本公开，数字值代表近似测量或限制范围，以涵盖与给定值之间的少量偏差和具有大约所提及值的实施方案以及具有精确提及值的那些。除了在详细描述结尾提供的工作例子中，本说明书(包括所附权利要求)中参数(例如，数量或条件)的所有数字值在所有情况下都应被理解为由术语"约"修饰，无论"约"实际上是否出现在数字值之前。“约”表示陈述的数字值允许一些轻微的不精确（与精确数值有一定近似；大约或相当地接近该值；几乎）。如果由“约”提供的不精确性在本领域不以这种普通含义之外的含义理解，那么本文中所用的“约”表示测量和使用此类参数的普通方法可引起的最小变化。例如，“约”可包括小于或等于5%的变化，任选地小于或等于4%，任选地小于或等于3%，任选地小于或等于2%，任选地小于或等于1%，任选地小于或等于0.5%，以及在某些方面，任选地小于或等于0.1%。
此外，范围的公开包括完整范围内的所有值以及进一步划分的范围（包括针对范围给出的端点和子范围）的公开。
现在将参考附图对例示性实施方案进行更完整的描述。
在某些方面，本公开涉及制备镁基合金组件的方法。本文提供的方法通过首先形成预制件使得包含镁基合金的组件能够在高应变率下形成，将所述预制件定制(tailored)为具有预定微结构，使该预定微结构随后经受高应变率，这有利于成形的镁基合金组件的机械性能。通常，镁基合金在形变和工作期间表现出各向异性性能，其能够限制可用于加工的选择。在高应变率下形成所需制品形状期间，该各向异性性能至少能够在局部发生。由于镁基合金中的强几何软化作用，在高应变率形变期间，应变局部化倾向于发生在取向较软的区域中，这能够在早期成形阶段导致严重的破裂。因此，镁基合金通常无法在涉及高应变率的制造过程中成形而不破裂。
通常将应变理解为两个长度（开始和最终）的比例，并且因此为无量纲值。因此，应变率以时间倒数为单位（例如s−1）。高应变率过程可被认为是当材料正在被处理时，向其实施大于或等于约1/s应变率。高应变率成形过程可包括选自：高速辊轧、流动旋压成形、高速锻造、环辊轧以及其组合的那些过程。然而，当由镁基合金形成制品或组件时，由于发生的大量破裂，通常已避免这类高应变率过程。
根据本公开的某些方面，可处理某些镁基合金以在预制件中形成有益的微结构，该微结构之后能够经受高应变率过程而不遭受显著地破裂。合适的镁基合金的组成包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆（Zr）。锰（Mn）可以大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%存在。钪（Sc）可以大于或等于0至小于或等于约15重量%存在。镁基合金还可包含任选的另外稀土金属（RE）元素（除钪以外，或替代钪），以大于或等于0至小于或等于20重量%存在。稀土金属可为镧系元素。在某些方面，另外的稀土元素选自：铈(Ce)、镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)、镧(La)、镥(Lu)、钕(Nd)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)、铽(Tb)、铥(Tm)、镱(Yb)、钇(Y)以及其组合。在某些变体中，所述另外的稀土元素选自：铈(Ce)、钆(Gd)、钕(Nd)、钪(Sc)、钇(Y)及其组合。在某些变体中，稀土元素可包含稀土元素的组合，例如钕与余量重稀土，例如镱、铒、镝和/或钆。镁基合金还以大于或等于0至小于或等于约6重量%包含锌（Zn）。铝（Al）可以大于或等于0至小于或等于约3重量%存在。杂质可以镁基合金的小于或等于约0.1重量%，任选地以小于或等于约0.05重量%，并且在某些变体中，任选地以小于或等于约0.01重量%存在。镁基合金的余量可为镁（Mg）。
在一个变体中，镁基合金可为ZK30合金，其标称地具有3重量%锌、0.5-0.6重量%锆，以及余量的镁。在另一个变体中，镁基合金可为ZK60合金，其标称地具有6重量%锌、0.5至0.6重量%锆，以及余量的镁。在再一变体中，该镁基合金可标称地具有1重量%铝、0.5重量%锌和0.5重量%锰以及余量的镁。
在某些变体中，镁基合金可具有如上文所讨论的组成，其基本上由大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆（Zr）；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰（Mn）；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪（Sc）；大于或等于0至小于或等于约2重量%的另外的稀土金属（RE）元素组成。所述镁基合金还基本上由大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌(Zn)；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝(Al)；小于或等于约0.1重量%的杂质；以及余量的镁(Mg)组成。
在其他变体中，镁基合金可具有如上文所讨论的组成，其由大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆（Zr）；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰（Mn）；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪（Sc）；大于或等于0至小于或等于约2重量%的另外的稀土金属（RE）元素组成。所述镁基合金还由大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌(Zn)；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝(Al)；小于或等于约0.1重量%的其他杂质；以及余量的镁(Mg)组成。
这类镁合金具有在预形变热处理期间和/或在本文中描述的中等应变率下的一个或多个加工步骤期间形成热稳定析出物或金属间物质的能力以提供预制件。在某些方面，金属间物质可具有选自如下的组成：ZnZr、MnSc、AlMn、AlRE，其中RE是可包含任何上述那些的稀土元素，包含钪及其组合。所述热稳定析出物位于分布在镁基合金基体中的粗晶粒中，并且在较高温加工期间（例如在温度大于或等于约200℃下），该热稳定析出物能够维持稳定。热稳定的细化析出物能够在本文所预期的任何中等(intermediate)处理或加工步骤期间，钉压住(pin)位错并且阻碍动态再结晶(DRX)。因此，在本公开提供的某些处理方法期间形成的微结构，形成了最终抵制动态再结晶（或可替代性地静态再结晶）的区域。因此，这些区域富含热稳定析出物，并且在经过高应变加工之后，这些区域嵌入在贫含热稳定析出物的动态再结晶晶粒或区域的基体中。在此方式中，本公开预期形成定制的双峰微结构，以能够实现高应变率形变加工。在此类微结构中，由几何软化导致的应变局部化受到晶粒尺寸不均一性的阻碍。
在某些变体中，本公开提供了处理铸件(例如，方坯(billet)、板坯(slab)、铸造为特定尺寸的制品等)的方法，该铸件通过如上所述的那些镁基合金形成，所述镁基合金包含含有热稳定析出物/金属间物质的粗晶粒。该处理包括第一形变过程。所述第一形变过程具有中等应变率水平，例如具有大于或等于约0.001/秒至小于或等于约1/秒的最高第一预定应变率。值得注意的是，在实际制造过程中，工件的不同部分所经历的应变率可为变化的，并且在整个过程期间可为不恒定的。产生预制件的第一形变过程可在温度大于或等于约250℃至小于或等于约450℃，任选地大于或等于约350℃至小于或等于约400℃的环境中实施。在某些方面中，产生预制件的第一形变过程选自：挤出、锻造、辊轧以及其组合。通过在中等(intermediate)加工步骤/第一形变过程期间控制应变率、温度和应变水平，可以在包含镁基合金的预制件中获得双峰微结构。在某些方面，中等加工步骤/第一形变过程可具有大于或等于约20%至小于或等于约300%的应变水平。在一个变体中，Gleeable机械测试可作为实验室规模技术用于为形成预制件而模拟中等加工条件以及确定合适的加工窗口。
如图1中预制件微结构20中所示，在由第一形变过程处理预制件后，该镁基合金任选地包含多个区域32，该区域包含分布在基体34中的热稳定细化析出物。总的来说，所述多个区域32富含金属间物质或析出物，这表示占存在于组成中的金属间物质的总浓度的大于50重量%，任选地大于或等于约55重量%，任选地大于或等于约60重量%，任选地大于或等于约65重量%，任选地大于或等于约70重量%，任选地大于或等于约75重量%，任选地大于或等于约80重量%，任选地大于或等于约85重量%，任选地大于或等于约90重量%，并且在某些方面中，任选地大于或等于约95重量%的存在于组成中的金属间物质存在于多个区域32中，使得这些区域32可被认为富含金属间物质，而基体34贫含金属间物质或析出物。
在处理期间基体34经过动态再结晶以形成细化晶粒，同时在多个区域32中的动态再结晶被最小化或避免。例如，在某些变体中，预制件在由第一形变过程处理之后，形成微结构，其具有大于或等于约5面积%至小于或等于约50面积%，任选地大于或等于约15面积%至小于或等于约30%，并且在某些变体中，约20面积%的包含金属间物质的热稳定晶粒（或图1中的多个区域32）。面积%或面积比例以微结构横截面测量。在某些变体中，热稳定晶粒可被认为是微结构中的粗晶粒，并且可具有大于或等于约1μm至小于或等于约200μm，任选地大于或等于约20μm至小于或等于约100μm的平均尺寸。
在低至中等应变率的第一形变过程期间，粗晶粒外部的以及更贫含金属间物质的区域（对应于图1中的基体34）可经历动态再结晶（DRX）。然而，热稳定粗晶粒的区域（对应于多个区域32）在第一形变过程期间抵制动态再结晶，并且因此该区域在加工后是完整且没有再结晶的。在某些方面，热稳定晶粒或区域可分布在所述基体中。该基体的动态再结晶晶粒可具有大于或等于约100nm至小于或等于约20μm的平均尺寸，任选地大于或等于约1μm至小于或等于约20μm的平均尺寸。在各个方面，该热稳定粗晶粒可具有的平均晶粒尺寸比动态再结晶晶粒具有的平均晶粒尺寸多出大于或等于50%，任选地大于或等于80%，任选地大于或等于40%，任选地大于或等于100%，并且在某些方面，任选地大于或等于200%。因此，如图2-3所示，标称组成为3重量%锌、0.5重量%锆以及余量镁的镁合金在温度约400℃的形变过程中锻造，并且具有微结构，该微结构具有多个热稳定粗晶粒（如箭头100所示），所述晶粒界定了在细化动态再结晶晶粒或区域的基体中均匀分布或嵌入的未结晶区域。
在特定的方面，由于阻碍了动态再结晶的大量细化析出物的形成，界定了未再结晶区域的热稳定粗晶粒得以保留。与周围的细化动态再结晶晶粒相比，较软的未再结晶区域更容易在高温下形变并且实现多得多的塑性应变。因此，几何软化导致的应变局部化受到晶粒尺寸不均一性的阻碍。因此，在保留在预制件中的未再结晶区域中，在后续加工期间的高应变率形变下将发生应变分配(strain partitioning)。此外，持续的动态再结晶将发生在各个区域或晶粒之间的边界，以缓解应变集中(stress concentration)，因此有助于可塑性。
在温度大于或等于约250℃至小于或等于约450℃的环境中，在以具有大于或等于约0.001/秒至小于或等于约1/秒的第一预定应变率的第一形变过程处理所述镁基合金以形成预制件之后，所述方法可包括使所述预制件经受第二形变过程。第二形变过程可为高应变过程，该过程具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的第二预定应变率。在某些变体中，所述高应变率第二形变过程选自高速辊轧、流动旋压成形及其组合。所述第二形变过程可在具有温度大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中实施。
以此方式，形成了基本上没有裂纹的镁基合金组件。本文所用术语“基本上没有”是指虽然可能出现少量的微型裂纹，但在高应变形变后组件中不存在显著的破裂缺陷，在该方面来讲避免了伴随着大型裂纹而存在的不期望的物理性质和限制(例如，强度损失、故障和损坏等)。尽管本公开所提供的镁基合金组件特别适合用作汽车或其他交通工具（例如摩托车、船艇、拖拉机、公交车、摩托车、房车、野营车和坦克）中的组件，他们也可被用于各种其他工业和应用，作为非限制性例子包括航天组件、日用消费品、设备、建筑物（例如房子、办公室、棚屋、仓库）、办公设备和家具，以及工业设备机械、农业或农场设备、或重型机械。由根据本方法处理的镁基合金组件形成的某些合适的汽车组件包括选自：内燃机组件、阀门、活塞、涡轮增压器组件、轮辋、车轮、负重轮 (road wheel)、环以及其组合的那些。
在某些其它方面，本公开还预期预定应变率、应变水平和温度，并且经由Gleeble模拟方法用于中等的第一形变过程，以获得相当部分富含析出物的嵌入在基体的结晶晶粒中的未再结晶区域。
上述方法涉及贫含热稳定金属间物质或析出物的细化区域或晶粒的动态再结晶，这在相对高的大于或等于约250℃至小于或等于约450℃的温度下发生在第一形变过程期间。然而，在某些可替代变体中，可使用静态再结晶技术，其中发生冷形变过程，而非在中等应变率下的高温形变。该冷形变过程除了它们在相对低温下实施之外可为上述那些中的任何，例如包括挤出、锻造和/或辊轧。在一个此类过程中，在温度低于或等于约200℃，任选地低于或等于约150℃，任选地低于或等于约100℃，任选地低于或等于约75℃，任选地低于或等于约50℃，和在某些变体中在室温下，例如约20℃至约25℃的环境中，用冷形变过程处理包含镁基合金的铸件，该镁基合金如同先前上文描述的那些。在冷形变过程中，形变工件中的位错将会积累。
在此方法中，之后对预制件进行退火。所谓退火，是指在从冷形变过程中产生预制件之后，将该预制件加热至低于其熔点的温度。在此退火过程之后，细化晶粒能够发生静态再结晶，同时热稳定粗晶粒界定未再结晶区域，类似于上述的双峰微结构。更具体地说，退火可包括将预制件加热到镁基合金的溶线温度以上，并保持该温度直到合金元素基本上均匀地分布在整个镁中并获得固溶体。仅作为示例，退火可包括将预制件加热到温度大于或等于约250℃至小于或等于约500℃，并且维持在该温度大于或等于约1小时至小于或等于6小时的一段时间。退火处理的目的是使冷形变的微结构静态再结晶，因此可以变化退火时间和温度以实现这种微结构。
在退火之后，在温度大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中，使预制件经受具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的第二预定应变率的第二形变过程。以这种方式，形成了基本上没有裂纹的镁基合金组件。
在涉及动态再结晶或静态再结晶以形成预制件的上述方法的任一种中，在经由中等应变形变或冷形变过程的初始处理以形成预制件之前，可将铸件进行热处理以使镁基合金均化，促进在界定粗晶粒的区域中形成热稳定的细化析出物，或既使镁基合金均化又形成热稳定的析出物。可使铸件在温度大于或等于约250℃至小于或等于约500℃的环境中加热，并且维持大于或等于约0.5小时至小于或等于约6小时的一段时间。此加热处理步骤的时间和温度可取决于铸件的厚度。
此外，在第二高应变率形变过程中形成组件后，该镁基合金组件可通过在温度大于或等于约150℃至小于或等于约300℃的环境中加热并且维持大于或等于约2小时至小于或等于约100小时的一段时间而老化。在此方法中，该老化可以加强镁基合金组件的机械性质。此外，此老化步骤的时间和温度可取决于铸件的厚度。
在某些变体中，本公开还预期了具有任何上述组成的固体镁基合金组件，该组成包含新的微结构50，例如图4中所示，其发生在高应变率形变过程后。此微结构50可包含分布在基体64中的多个细长热稳定晶粒62，该基体64包含多个动态再结晶晶粒。所谓细长的，是指各个晶粒62限定出主要的拉长(longitudinal)或伸长尺寸(如图4中的66所示)，使得晶粒具有显著的伸长尺寸。该细长热稳定晶粒62可具有纵横比，该纵横比被定义为AR = L/W，其中L和W为晶粒的长度（例如66）和宽度68。合意的是，多个细长热稳定晶粒的平均AR大于约3，任选地大于约5，任选地大于约7，并且在某些变体中，任选地大于约10。例如，如图5和6所示，分别表示具有ZK30合金的样品在50%和67%形变之后的形变，所述ZK30合金标称地具有3重量%锌、0.5-0.6重量%锆，以及余量的镁。富含金属间物质（例如ZnZr）的粗未再结晶晶粒（箭头110）的纵横比，在形变水平增加时具有被极大地改变（增加）了的纵横比，其表明晶粒经过了巨大的塑性应变。多个细长热稳定晶粒可具有带状或纤维状的形状。
在某些变体中，微结构可具有大于或等于约5面积%至小于或等于约50面积%的细长热稳定晶粒，该晶粒包含平均尺寸大于或等于约1nm至小于或等于约1μm的金属间物质，该金属间物质分布在包含具有大于或等于约0.1μm至小于或等于约20μm平均尺寸的动态再结晶晶粒的基体中，其中镁基合金组件基本没有裂纹。
以阐述和描述为目的提供了实施方案的先前描述。其并非是为了穷尽性的或限制本公开。特定实施方案的单独元件或特征总的说来是不受限于该特定实施方案的，而是在可用的情况下为可交换地，并且能够用于选定的实施方案中，即使其没有具体地显示或描述。同样地也可以以许多方式改变。此类变化不会被视为背离本公开，并且所有此类改变都被认为包括在本公开的范围中。

Claims (10)

1.一种制备镁基合金组件的方法，其包括：
在温度为大于或等于约250℃至小于或等于约450℃的环境中，以第一形变过程处理包含镁基合金的铸件以形成预制件，所述第一形变过程具有大于或等于约0.001/秒至小于或等于约1/秒的第一最高预定应变率，其中所述镁基合金的组成包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量为镁；并且
在温度为大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中，使所述预制件经受第二形变过程以形成基本上没有裂纹的镁基合金组件，所述第二形变过程具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的第二最高预定应变率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预制件包含一种或多种金属间物质，该金属间物质选自：ZnZr、AlMn、MnSc、AlRE及其组合，其中RE是稀土元素。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一形变过程选自：挤出、锻造、辊轧及其组合，并且所述第二形变过程选自：高速辊轧、流动旋压成形、高速锻造、环辊轧以及其组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预制件包含基体，该基体包含多个平均尺寸为大于或等于约0.1μm至小于或等于约20μm的动态再结晶晶粒；和
多个平均尺寸为大于或等于约1μm至小于或等于约200μm的粗晶粒，其中所述多个粗晶粒的平均尺寸比所述动态再结晶晶粒的平均尺寸多出大于或等于50%。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述镁基合金包含多个区域，所述区域包含分布在基体中的热稳定细化金属间物质，其中所述基体在所述处理期间经过动态再结晶以形成细化晶粒，同时在所述多个区域中的动态再结晶被最小化或避免。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述镁基合金组件为汽车组件，该汽车组件选自：内燃机组件、阀门、活塞、涡轮增压器组件、轮辋、车轮、环以及其组合。
7.一种制备镁基合金组件的方法，其包括：
在温度为小于或等于约200℃的环境中，以冷形变过程处理包含镁基合金的铸件以形成预制件，其中所述镁基合金的组成包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量为镁；
使所述预制件退火；并且
在温度为大于或等于约150℃至小于或等于约450℃的环境中，使所述预制件经受第二形变过程以形成基本上没有裂纹的镁基合金组件，该第二形变过程具有大于或等于约1/秒至小于或等于约100/秒的最高预定应变率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述镁基合金包含多个区域，该区域包含分布在基体中的热稳定细化析出物，其中所述基体在所述处理期间经过静态再结晶以形成细化晶粒，同时在所述多个区域中的静态结晶被最小化或避免。
9.固体镁基合金组件，其包含微结构，所述微结构具有大于或等于约5面积%至小于或等于约50面积%的细长热稳定晶粒，该细长热稳定晶粒包含分布在包含动态再结晶晶粒的基体中的金属间物质，该金属间物质具有大于或等于约1nm至小于或等于约1μm的平均尺寸，该动态再结晶晶粒具有大于或等于约0.1nm至小于或等于约20μm的平均尺寸，其中所述固体镁基合金组件基本上没有裂纹。
10.根据权利要求9所述的固体镁基合金组件，其中所述微结构由镁基合金形成，所述镁基合金包含大于或等于0至小于或等于约1重量%的锆；大于或等于约0.3重量%至小于或等于约2重量%的锰；大于或等于0至小于或等于约15重量%的钪；大于或等于0至小于或等于约20重量%的稀土金属元素；大于或等于0至小于或等于约6重量%的锌；大于或等于0至小于或等于约3重量%的铝；以及余量的镁，并且所述金属间物质选自：ZnZr、AlMn、MnSc、AlRE及其组合，其中RE为稀土元素。
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