CN113322402A - 一种高强度耐腐蚀变形镁合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀变形镁合金，成分为：1.0wt%的Yb；1.0～1.5wt%的Zr；其余为Mg及不可避免的杂质。其制备步骤包括合金熔炼→固溶→热挤压。本发明通过微量稀土Yb固溶并优选Zr含量，结合常规一步热挤压制备出高强度和优异耐腐蚀性能兼备的变形镁合金块体。该材料可作为航空航天、武器、3C及生物医用材料的理想备选。

Description

一种高强度耐腐蚀变形镁合金

技术领域

本发明涉及镁合金材料领域，特别是涉及一种耐腐蚀、力学性能好的变形镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，其密度约为铝的60％，钢的20％，具有比刚度高、阻尼减震性好、易于切削加工、生物友好和可回收等优点，被公认为是一种可减重、节能、有利于可持续发展的理想结构材料，在航空航天、武器制造、3C产品及生物医用等领域具有广阔的应用前景。但镁合金绝对强度不足，耐腐蚀性能差，严重制约其广泛应用。国内外普通使用多元微合金化和剧烈塑形变形方法制备高强度镁合金。虽然效果显著，但多组元高含量合金化元素的加入形成复杂的第二相极易造成局部腐蚀，且大塑性变形形成的高密度晶界在显著强化基体的同时也导致合金整体耐腐蚀性能的进一步下降。因此，如何通过合金成分和含量优选辅以有效的加工手段高效低耗的制备高强度和优异耐腐蚀性能兼备的镁合金仍然是当前镁合金开发的热点。

鉴于此，本发明旨在探索一种高强度耐腐蚀变形镁合金及其制备方法。通过优选合金成分和含量并结合制备加工工艺得到高强度和优异耐腐蚀性兼备的高性能变形镁合金材料。该工艺具有制备流程短，效率高，成本低，性能好等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐腐蚀的高强度变形镁合金材料及其制备方法。

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术中制备耐腐蚀高强度变形镁合金的技术劣势，提供一种优异强度和耐腐蚀性兼备的变形镁合金材料及其制备方法。该变形镁合金平均晶粒尺寸小于5 μm，抗拉强度大于340 MPa，屈服强度大于300 MPa；按照ASTMG31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率小于3 mm / a。该合金制备方法所需原料易得，成本低，流程短，所使用设备常规，具有良好的工业应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

首先通过合金元素优化设计，并借助合理的熔炼浇铸工艺充分发挥Zr和Yb对镁合金熔体的净化作用，同时利用高含量Zr添加造成的强成分过冷使凝固组织充分等轴细化，从源头上改善初始锭坯的质量；随后对铸坯进行气体保护下的固溶处理，使Yb充分回溶强化基体的同时有效稳定组织提升合金耐腐蚀性能；最后实施中等温度下的热挤压，促使大颗粒的富Zr粒子破碎促进再结晶，同时使强化相在变形过程中弥散析出并有效抑制再结晶晶粒长大。最终得到再结晶晶粒细小、第二相弥散分布的挤压块体。通过该工艺制备的变形镁合金同时兼具高强度和优异的耐腐蚀性能。该方法立足于合金成分的设计、坯料初始状态的控制和最终热变形微观组织的调控，在发挥固溶、析出、形变和细晶的综合强化效果的同时，充分发挥Yb和Zr对Mg基体耐腐蚀性能提升的积极效果，实现低成本、短流程制备耐腐蚀高强度变形镁合金的意图。

其具体技术方案为：

一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其成分为：Zr=1.0~1.5wt%，Yb=1.0wt%，其余为Mg；该变形镁合金制备步骤包括：合金熔炼→固溶→热挤压；

1）所述合金熔炼为：将各原料预热至300~350 ℃，待坩埚温度达到500~520 ℃时加入预热均匀的纯镁，随后升温至750~770 ℃，待纯镁完全熔化后加入预热均匀的Zr源并搅拌5~10 min助熔，当炉温升至770~780 ℃时加入预热均匀的Mg-Yb合金并搅拌5~10 min助熔，随后将炉温设置到700~720 ºC静置保温20~30 min除渣后立即将金属液浇注到钢制水冷模具中得到铸造镁合金，熔炼全过程在气体保护下进行；

2）所述固溶为：在氩气中将铸锭加热到400 °C保温24~48 h，出炉后水冷至室温，确保含Yb相充分回溶且晶粒无过热过烧；

3）所述挤压为：将固溶处理后的坯料重新加热至300~320 ℃，待温度均匀后以15~30：1的挤压比进行热挤压，挤压前预热挤压筒温度为310~330 ℃，挤压过程控制挤压筒与坯料温度之差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温；

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于挤压态合金基体上弥散分布着破碎的富Zr粒子和亚微米级含Yb第二相。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于挤压态合金的平均晶粒尺寸小于5 μm，抗拉强度大于340 MPa，屈服强度大于300 MPa；按照ASTM G31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率小于3 mm / a。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于除 Mg、Yb、Zr以外的夹杂元素总量不大于0.3 wt.％。

相比现有镁合金材料，本材料和制备方法的有益效果在于：

本方法首先优选合金成分，排除对腐蚀性能有不利影响的Zn和Al等时效强化元素，选择可同时提升强度和耐腐蚀性能的重稀土元素Yb，并确定1.0wt%Yb这一优选的添加量，使Yb复合强化和稳定基体的效果充分发挥；进一步考虑到微量Yb添加对铸态晶粒细化的效果有限，选择复合添加过量的Zr（可进一步提升基体耐腐蚀性能），一方面通过Zr的强成分过冷能力充分等轴细化铸态镁晶粒，同时形成富Zr粒子在变形过程促进再结晶，充分细化变形晶粒，最终挤压态合金平均晶粒尺寸小于5 μm。基于该成分设计，可充分发挥固溶（Yb）、析出（含Yb第二相）、形变和细晶的综合强化效果，且合金耐腐蚀性能得到显著提升。利用该方法制备的变形镁合金抗拉强度大于340 MPa，屈服强度大于300 MPa；按照ASTMG31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率小于3 mm / a，强度与耐腐蚀性能腐蚀显著优于商业化的ZK60合金。实现低成本、短流程制备耐腐蚀高强度变形镁合金的意图。区别于常规变形加工技术，本材料制备工艺简单通用，具有节约能源，流程短，装备常规易得，成本低的优点。且制备出的挤压块体可进一步借助热处理调控强塑性匹配，具有复杂变形方法不具备的优势。

附图说明

图1为采用本申请技术制备的Mg–1.0 Zr–1.0 Yb和Mg–1.5 Zr–1.0 Yb挤压态微观组织；

图2为采用本申请技术制备的Mg–1.0 Zr–1.0 Yb和Mg–1.5 Zr–1.0 Yb挤压态合金宏观腐蚀形貌。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

本成分为：Zr=1.0wt%，Yb=1.0wt%，其余为Mg；该变形镁合金制备步骤包括：合金熔炼→固溶→热挤压；

1）所述合金熔炼为：将各原料预热至300 ℃，待坩埚温度达到500 ℃时加入预热均匀的纯镁，随后升温至750 ℃，待纯镁完全熔化后加入预热均匀的Zr源并搅拌5 min助熔，当炉温升至770 ℃时加入预热均匀的Mg-Yb合金并搅拌5 min助熔，随后将炉温设置到700 ºC静置保温20 min除渣后立即将金属液浇注到钢制水冷模具中得到铸造镁合金，熔炼全过程在气体保护下进行；

2）所述固溶为：在氩气中将铸锭加热到400 °C保温24 h，出炉后水冷至室温，确保含Yb相充分回溶且晶粒无过热过烧；

3）所述挤压为：将固溶处理后的坯料重新加热至300 ℃，待温度均匀后以15：1的挤压比进行热挤压，挤压前预热挤压筒温度为310 ℃，挤压过程控制挤压筒与坯料温度之差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温；

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于挤压态合金基体上弥散分布着破碎的富Zr粒子和亚微米级含Yb第二相。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其微观组织特征如图1a所示，平均晶粒尺寸约3.2 μm，抗拉强度345 MPa，屈服强度310 MPa；按照ASTM G31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率约为2.78 mm / a，其宏观腐蚀形貌如图2a所示。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于除 Mg、Yb、Zr以外的夹杂元素总量不大于0.3 wt.％。

实施例2

一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其成分为：Zr=1.5wt%，Yb=1.0wt%，其余为Mg；该变形镁合金制备步骤包括：合金熔炼→固溶→热挤压；

1）所述合金熔炼为：将各原料预热至350 ℃，待坩埚温度达到520 ℃时加入预热均匀的纯镁，随后升温至770 ℃，待纯镁完全熔化后加入预热均匀的Zr源并搅拌10 min助熔，当炉温升至780 ℃时加入预热均匀的Mg-Yb合金并搅拌10 min助熔，随后将炉温设置到720 ºC静置保温30 min除渣后立即将金属液浇注到钢制水冷模具中得到铸造镁合金，熔炼全过程在气体保护下进行；

2）所述固溶为：在氩气中将铸锭加热到400 °C保温48 h，出炉后水冷至室温，确保含Yb相充分回溶且晶粒无过热过烧；

3）所述挤压为：将固溶处理后的坯料重新加热至320 ℃，待温度均匀后以15：1的挤压比进行热挤压，挤压前预热挤压筒温度为330 ℃，挤压过程控制挤压筒与坯料温度之差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温；

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于挤压态合金基体上弥散分布着破碎的富Zr粒子和亚微米级含Yb第二相。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其微观组织特征如图1b所示，平均晶粒尺寸约1.1 μm，抗拉强度380 MPa，屈服强度345 MPa；按照ASTM G31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率约为1.54 mm / a，其宏观腐蚀形貌如图2b所示。

进一步，一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于除 Mg、Yb、Zr以外的夹杂元素总量不大于0.3 wt.％。

最后说明的是，以上实施例仅用于更清楚地说明本发明的工作原理和过程，并不对本发明产生限制。本发明还可以适用于本申请所约束的其它Zr含量的含Yb镁合金，其加工原理和加工步骤与上述实例并无不同，故不需重复举例。本发明对现有技术做出创造性贡献的地方，在于提出了一种兼具高强度和优异耐腐蚀性的高性能变形镁合金及其制备方法，有效扩展了镁合金应用领域，开发了合金性能潜力，且制备方法具有流程短，效率高，质量好的优点，有益效果非常显著。

Claims (2)

1.一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其成分为：Zr=1.0~1.5wt%，Yb=1.0wt%，其余为Mg；该变形镁合金制备步骤包括：合金熔炼→固溶→热挤压；

1） 所述合金熔炼为：将各原料预热至300~350 ℃，待坩埚温度达到500~520 ℃时加入预热均匀的纯镁，随后升温至750~770 ℃，待纯镁完全熔化后加入预热均匀的Zr源并搅拌5~10 min助熔，当炉温升至770~780 ℃时加入预热均匀的Mg-Yb合金并搅拌5~10 min助熔，随后将炉温设置到700~720 ºC静置保温20~30 min除渣后立即将金属液浇注到钢制水冷模具中得到铸造镁合金，熔炼全过程在气体保护下进行；

2）所述固溶为：在氩气中将铸锭加热到400 °C保温24~48 h，出炉后水冷至室温，确保含Yb相充分回溶且晶粒无过热过烧；

3）所述挤压为：将固溶处理后的坯料重新加热至300~320 ℃，待温度均匀后以15~30：1的挤压比进行热挤压，挤压前预热挤压筒温度为310~330 ℃，挤压过程控制挤压筒与坯料温度之差为±10 ℃，待挤压料出模后立即水冷至室温；

得到的挤压态合金基体上弥散分布着破碎的富Zr粒子和亚微米级含Yb第二相，挤压态合金的平均晶粒尺寸小于5 μm，抗拉强度大于340 MPa，屈服强度大于300 MPa；按照ASTMG31-72的浸泡标准，在37±0.5℃模拟体液中恒温浸泡的腐蚀速率小于3 mm / a。

2.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀变形镁合金，其特征在于除 Mg、Yb、Zr以外的夹杂元素总量不大于0.3 wt.％。

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