CN113373390B - 一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镁合金强度和耐腐蚀性能的提高技术，具体涉及一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，属于镁合金加工技术领域。该方法按如下步骤进行：1)从镁合金坯料上切出块体材料，并进行固溶处理；对固溶处理后的块体材料沿着三个不同方向X、Y、Z依次进行多道次交叉压缩变形处理，产生大量的孪晶组织；2)对多道次交叉压缩处理的块体材料进行时效处理，其析出相大小、分布均匀，使块体材料的硬度达到时效峰值硬度，镁合金的制备操作完成。本发明交叉压缩的道次越多，同时得到的孪晶结构均匀细小，进行时效处理时，由于细小孪晶界的增多，提供更多的析出相形核点，可以改变析出相的形貌、大小以及分布，来明显提高强度和耐腐蚀性能。

Description

一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金强度和耐腐蚀性能的提高技术，具体涉及一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，属于镁合金加工技术领域。

背景技术

镁合金是最轻的结构金属材料，具有高比强度、高比刚度，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工等一系列优点，使其在结构性与加工组件的应用与需求上大幅上涨，在汽车轻量化、产品和航空航天等领域具有广泛的应用前景。其Mg-Al系镁合金是商业镁合金的杰出代表，Al含量大于6wt.％的Mg-Al系镁合金具有着良好的铸造工艺性，具有极高的使用价值，但变形态合金应用较少，其中强度低和耐腐蚀性能差是影响具有高附加值的变形镁合金没有得到产业化生产和大范围推广的主要因素之一。

Mg-Al系合金沉淀硬化效果低，含有大量网状结构的Mg₁₇Al₁₂相，显著降低其强度。此外，镁的化学活性很高，其平衡电位为-2.37V，在潮湿、CO₂、SO₂和Cl^-的环境中将快速腐蚀，其化学活性决定了镁合金的耐腐蚀性能先天不足。对于具有时效强化的Mg-Al系镁合金，例如AZ61、AZ80、AZ91等，固溶处理后在150℃到250℃温度下进行时效处理，会有不均匀分布的非连续片状Mg₁₇Al₁₂相出现，当腐蚀介质存在时，Mg₁₇Al₁₂相与镁基体会形成电偶腐蚀，造成严重的局部腐蚀，使用效果和寿命被极大影响，其应用成本被迫提高，当成本过高时，其应用便会受到阻碍。

因此，需要开发一种低成本工艺方法来优化Mg-Al系镁合金的微观组织，提高强度，同时把局部腐蚀改变为均匀腐蚀，从而提高镁合金的本征耐腐蚀性，是目前镁合金研究的重点之一。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，该方法能明显提高强度和耐腐蚀性能，具有使用设备简单、生产周期更短、成本低、易于工业化生产等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，按如下步骤进行：

1)从镁合金坯料上切出块体材料，并进行固溶处理；对固溶处理后的块体材料沿着三个不同方向X、Y、Z依次进行多道次交叉压缩变形处理，产生孪晶组织；

2)对多道次交叉压缩处理的块体材料进行时效处理，其析出相大小、分布均匀，使块体材料的硬度达到时效峰值硬度，镁合金的制备操作完成。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤1)中所使用的坯料为具有析出强化的Mg-Al系镁合金，镁合金中的Al含量大于6wt.％，镁合金坯料为挤压态或者轧制态。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，若镁合金坯料为挤压态，其三维方向分别沿着ED、TD、ND方向，X、Y方向为ED或TD方向，Z方向为ND方向；若镁合金坯料为挤压态，其三维方向分别沿着RD、TD、ND方向，X、Y方向为RD或TD方向，Z方向为ND方向。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤1)中，对所述块体材料进行多道次交叉压缩变形处理的温度为室温至100℃。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤1)中，对所述块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形过程为：首先沿着X方向压缩，然后沿着Y方向压缩，再沿着Z方向压缩；之后沿着X方向压缩，然后沿着Y方向压缩，再沿着Z方向压缩……依次循环。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤1)中，对所述块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形过程时，每道次的压缩变形量为2％～10％。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤2)中，对所述块体材料进行时效处理的温度为160℃～220℃，时间为8h～72h。

所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，步骤2)获得的镁合金中，析出相为Mg₁₇Al₁₂相，析出相大小、形貌以及分布情况如下：析出相呈颗粒状，直径＜500nm，且分布均匀。

本发明的设计思想是：

本发明通过沿着不同的方向压缩加载在传统的具有析出强化的非稀土Mg-Al系合金上，可以产生不同类型的孪晶变形模式，得到复杂的孪晶结构，从而有效的改变晶粒取向，可以使预变形的材料在拉伸和压缩过程中产生多种变形模式。由于沿着TD或RD方向对材料进行压缩处理后卸载，再沿着ND方向进行再次压缩时，或者沿着某一方向压缩处理后卸载再沿着最初方向的相反方向加载时，这两种情况都会发生退孪生现象，因此采用不同的变形量交替的压缩方式来减小退孪生影响。对于压缩处理道次数，交叉压缩的道次数越多，同时得到的孪晶结构均匀细小，因此接着进行时效处理时，由于细小孪晶界的增多，提供更多的析出相形核点，从而可以改变析出相的形貌、大小以及分布，从而明显提高耐腐蚀性能，同时强度提高，塑性不变。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过沿着不同的方向压缩加载在传统的具有析出强化的Mg-Al系镁合金(Al含量大于6wt.％)上，可以产生不同类型的孪晶变形模式，得到复杂的孪晶结构，从而有效的改变晶粒取向，可以使预变形的材料在拉伸和压缩过程中产生多种变形模式。对固溶处理后的块体材料沿着三个不同方向(X、Y、Z)依次进行多道次交叉压缩处理，产生大量的孪晶组织，其孪晶片层细小均匀，细化晶粒尺寸，孪晶片层厚度＜1μm；交叉压缩的道次越多，同时得到的孪晶结构均匀细小，晶粒得到显著细化，因此接着进行时效处理时，由于细小孪晶界的增多，提供更多的析出相形核点，从而可以改变析出相的形貌、大小以及分布，来明显提高强度和耐腐蚀性能。

2、与含有稀土的镁合金相比，本发明适用于传统的非稀土Mg-Al系合金(如：AZ80、AZ80A、AZ80M、AZ80S、AZ91D或AZ61等)成本低；与其他复杂大变形工艺相比，交叉变形压缩的设备简单、生产周期更短、成本低、易于工业化生产。

附图说明

图1-本发明提供的多道次交叉变形压缩示意图。

图2-本发明实施例一至实施例三提供的交叉压缩变形1道次、6道次和12道次的AZ80镁合金经过峰值时效后的二次电子像(白色长条状或白色颗粒为Mg₁₇Al₁₂相)。其中，AZ80+T6为经固溶处理后，未进行交叉变形压缩处理，接着人工时效的块体材料，析出相分布图；AZ80-Pre1为实施例一中经固溶处理后，之后进行交叉变形压缩处理1道次，接着人工时效的块体材料析出相大小、形貌以及分布图；AZ80-Pre6为实施例二中经固溶处理后，之后进行交叉变形压缩处理6道次，接着人工时效的块体材料析出相大小、形貌以及分布图；AZ80-Pre12为实施例三中经固溶处理后，之后进行交叉变形压缩处理12道次，接着人工时效的块体材料析出相大小、形貌以及分布图。

具体实施方式

如图1所示，在具体实施过程中，高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，采用多道次交叉变形压缩，具体过程如下：

1)从具有析出强化的AZ80镁合金轧制板材的坯料上，切出块体材料，块体材料为正方体块材料或者长方体块材料，其三维方向分别沿着TD、RD、ND方向；对得到的块体材料在400℃的环境中保温24h，取出后立即放在室温的水中进行淬火处理；

2)对处理后的块体材料沿着三个不同方向(X、Y、Z)依次进行多道次交叉压缩处理，产生大量的孪晶组织，其孪晶片层细小均匀；

如图2中的AZ80+T6所示，经固溶处理后，未进行交叉变形压缩处理，接着人工时效的块体材料，从图中可以看出，其析出相为层片状非连续Mg₁₇Al₁₂相，分布不均匀。对制备完成的镁合金沿着RD进行拉伸与压缩试验直至断裂，记录拉伸数据，结果见表1，最后进行析氢测试实验，测得腐蚀速率，结果见表1。

2)对块体材料在室温下依次沿着不同方向(TD、RD、ND)进行多道次交叉压缩处理，进行试验前，会在样品与压头接触的表面涂上石墨以减少样品和机器的压头之间的摩擦。由于沿着TD或RD方向对材料进行压缩处理后卸载，再沿着ND方向进行再次压缩时，或者沿着某一方向压缩处理后卸载再沿着最初方向的相反方向加载时，这两种情况都会发生退孪生现象，因此采用不同的变形量交替的压缩方式来减小退孪生影响。

多道次交叉压缩变形过程为：第一步，沿着X方向(TD或RD)压缩，其压缩应变量3％；第二步，沿着Y方向(RD或TD)压缩，其压缩应变量6.5％；第三步，沿着Z方向(ND)压缩，其压缩应变量3％，完成一次循环；接着进行下一次循环，第一步，沿着X方向(TD或RD)压缩，其压缩应变量6.5％；第二步，沿着Y方向(RD或TD)压缩，其压缩应变量3％；第三步，沿着Z方向(ND)压缩，其压缩应变量6.5％，……依次循环，其压缩道次为N(N＝3n，n≥1，n为循环次数)。

3)对多道次交叉压缩后处理的块体材料在180℃的环境中进行24h时效处理，使块体材料的硬度达到时效峰值硬度，镁合金的制备操作完成。

其中，RD-轧板轧制方向；TD-轧板横向方向；ND-轧板垂直方向。

以下，结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一：

从具有析出强化的AZ80镁合金板材的坯料上切出块体材料，块体材料为正方体块材料或者长方体块材料，其三维方向分别沿着TD、RD、ND方向。对得到的块体材料在400℃的环境中保温24h，取出后立即放在室温的水中进行淬火处理；对得到的块体材料的表面进行打磨处理，打磨到表面光亮。对打磨后的块体材料在室温下沿着TD方向压缩，其压缩应变量3％，此道次数记为1道次，其孪晶厚度尺寸分布，结果见表1。1道次压缩变形后的块体材料在油浴锅中以180℃时效处理24h，其析出相大小、形貌以及分布见图2中的AZ80-Pre1，可以看出，析出相以层片状非连续Mg₁₇Al₁₂相和颗粒状Mg₁₇Al₁₂相为主，分布不均匀。对制备完成的镁合金沿着RD进行拉伸与压缩试验直至断裂，记录拉伸数据，结果见表1。最后进行析氢测试实验，测得腐蚀速率，结果见表1。

实施例二：

从具有析出强化的AZ80镁合金板材的坯料上切出块体材料，块体材料为正方体块材料或者长方体块材料，其三维方向分别沿着TD、RD、ND方向。对得到的块体材料在400℃的环境中保温24h，取出后立即放在室温的水中进行淬火处理；对得到的块体材料的表面进行打磨处理，打磨到表面光亮。对打磨后的块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形，沿着TD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量3％，接着再沿着TD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量6.5％，此道次数记为6道次，其孪晶厚度尺寸分布，结果见表1。多道次交叉压缩变形后的块体材料在油浴锅中以180℃时效处理24h，其析出相大小、形貌以及分布见图2中的AZ80-Pre6，可以看出，析出相以颗粒状Mg₁₇Al₁₂相为主，分布较为均匀。对制备完成的镁合金沿着RD进行拉伸与压缩试验直至断裂，记录拉伸数据，结果见表1。最后进行析氢测试实验，测得腐蚀速率，结果见表1。

实施例三：

从具有析出强化的AZ80镁合金板材的坯料上切出块体材料，块体材料为正方体块材料或者长方体块材料，其三维方向分别沿着TD、RD、ND方向。对得到的块体材料在400℃的环境中保温24h，取出后立即放在室温的水中进行淬火处理；对得到的块体材料的表面进行打磨处理，打磨到表面光亮。对打磨后的块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形，沿着TD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量3％，接着再沿着TD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量6.5％，之后沿着TD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量3％，接着再沿着TD方向压缩，其压缩应变量6.5％，然后沿着RD方向压缩，其压缩应变量3％，然后沿着ND方向压缩，其压缩应变量6.5％，此道次数记为12道次，其孪晶厚度尺寸分布，结果见表1。多道次交叉压缩变形后的块体材料在油浴锅中以180℃时效处理24h，其析出相大小、形貌以及分布见图2中的AZ80-Pre12，可以看出，析出相为颗粒状Mg₁₇Al₁₂相，分布非常均匀。对制备完成的镁合金沿着RD进行拉伸与压缩试验直至断裂，记录拉伸数据，结果见表1。最后进行析氢测试实验，测得腐蚀速率，结果见表1。

表1实施例一至三中方法制备的镁合金的孪晶片层厚度、力学性能和腐蚀速率

由表1可以看出，交叉压缩道次的增加，AZ80合金的拉伸和压缩的屈服强度和抗拉强度在提高，塑性保持不变，同时耐腐蚀性能明显提高，因此交叉压缩道次越多，其强度和耐腐蚀性越好。

实施例证明，本发明方法对镁合板材的强度和耐腐蚀性能有明显提高，与含有稀土的镁合金相比，传统的非稀土Mg-Al系合金成本低；与其他复杂大变形工艺相比，多道次交叉变形压缩的设备简单、生产周期更短、成本低、易于工业化生产。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

1）镁合金坯料为轧制态，从镁合金坯料上切出块体材料，并进行固溶处理；对固溶处理后的块体材料室温下沿着三个不同方向X、Y、Z依次进行多道次交叉压缩变形处理，产生孪晶组织；

步骤1）中，对所述块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形过程为：首先沿着X方向压缩，然后沿着Y方向压缩，再沿着Z方向压缩；之后沿着X方向压缩，然后沿着Y方向压缩，再沿着Z方向压缩……依次循环；

步骤1）中，镁合金坯料为轧制态，其三维方向分别沿着RD、TD、ND方向，X、Y方向为RD或TD方向，Z方向为ND方向；其中，RD为轧板轧制方向，TD为轧板横向方向，ND为轧板垂直方向；

2）对多道次交叉压缩处理的块体材料进行时效处理，其析出相大小、分布均匀，使块体材料的硬度达到时效峰值硬度，镁合金的制备操作完成；

步骤2）中，对所述块体材料进行时效处理的温度为160 ℃~220 ℃，时间为8 h~72 h；

步骤2）获得的镁合金中，析出相为Mg₁₇Al₁₂相，析出相大小、形貌以及分布情况如下：析出相呈颗粒状，直径＜ 500 nm，且分布均匀。

2.根据权利要求1所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，其特征在于，步骤1）中所使用的坯料为具有析出强化的Mg-Al系镁合金，镁合金中的Al含量大于6 wt.%。

3.根据权利要求1所述的高强高耐腐蚀性镁合金制备方法，其特征在于，步骤1）中，对所述块体材料在室温下进行多道次交叉压缩变形过程时，每道次的压缩变形量为2%~10%。

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