CN114686738B

CN114686738B - 一种高强度高模量镁基多组元轻质合金及其制备方法

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Publication number: CN114686738B
Application number: CN202210383134.0A
Authority: CN
Inventors: 谭军; 古佐鸿; 刘继江; 周云轩; 董权; 宋江凤; 陈先华; 蒋斌; 潘复生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-04-12
Also published as: CN114686738A

Abstract

本发明涉及一种高强度高模量镁基多组元轻质合金及其制备方法，属于轻质多组元合金制备领域。本发明高强度高模量镁基多组元轻质合金，包括Mg、Al、Zn、Cu和Ce元素，原子摩尔百分比为：Al 4％～6％，Zn 4％～23％，Cu 3％～5％，Ce 0.4％～0.6％，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质的总质量百分含量不大于0.10％；抗压强度为435MPa～640MPa，压缩断裂应变为4.6％～21.1％，模量为46GPa～65GPa，密度为2.13g/cm³～3.24g/cm³。本发明通过调控Zn元素的含量对合金基体实现过饱和固溶，同时增加第二相的种类和数量，使得合金具有高强度、高模量和塑性变形能力。

Description

一种高强度高模量镁基多组元轻质合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高模量镁基多组元轻质合金及其制备方法，属于轻质多组元合金制备领域。

背景技术

镁合金具有比重轻、比强度高、比刚度高、电磁屏蔽能力强、减振性能好、液态成型性能优越和易于回收利用等的绿色材料，能够在应用中实现极大的轻量化，获得最大的轻量化效益。但是纯镁的模量仅有44～45GPa，不到钢铁的1/5，仅有铝合金的0.62，远低于广泛应用的钢铁和铝合金，因此，提高镁合金的弹性模量是镁合金研究领域的重点之一。

但是，传统低合金化的镁合金对合金强度和弹性模量的提高也很有限，由于镁合金的弹性模量低，导致其抵抗弹性变形的能力不足，极大的限制了其在工程领域当中的应用。目前提高镁合金弹性模量的方法主要是通过合金化的方式来实现，比如，高模量镁合金，通过在镁合金中大量添加Y和Gd等稀土元素以及添加少量Zn、Ni、Al、Li、Zr和Ag元素，得到合金的弹性模量在52～55GPa之间；原位自生沉淀相增加的高强高模量镁合金，通过在镁合金添加Gd、Zn、Y、Si和Ti元素，生成了高模量的沉淀相，得到的弹性模量在52～57GPa。这些发明所述的合金，虽然能够有效的提高镁合金的弹性模量，但是所添加的合金元素成本昂贵。

高熵合金具有传统合金无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐磨性等，具有极大的应用价值。在越来越追求轻量化设计的时代，轻质高熵合金也慢慢被提出来。

但是目前对于含镁高熵合金的研究还处于初步阶段，不同于传统的高熵合金，含镁高熵合金难以获得单一的固溶体相，而是形成复杂的相组织，大量的第二相割裂基体组织，虽然能够显著提高合金的强度，但是合金的脆性很大，难以实现工程上的应用。比如，轻质高强度耐蚀高熵合金及其制备方法，通过氩气保护的电阻炉熔炼制得的Al-Mg-Zn-Cu-Si高熵合金，密度为3.8g/cm³,室温下的抗压强度可达到760MPa，但是该合金几乎没有塑性变形，难以得到广泛的应用。

发明内容

针对现有含镁高熵合金难以获得单一的固溶体相，而是形成复杂的相组织，大量的第二相割裂基体组织，虽然能够显著提高合金的强度，但是合金的脆性很大，难以实现工程上的应用的问题，本发明提供一种高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，即通过调控Zn 元素的含量对合金基体实现过饱和固溶，同时增加第二相的种类和数量，使得合金具有高强度、高模量和塑性变形能力。

一种高强度高模量镁基多组元轻质合金，包括Mg、Al、Zn、Cu和Ce元素，原子摩尔百分比为：Al 4％～6％，Zn 4％～23％，Cu 3％～5％，Ce 0.4％～0.6％，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质的总质量百分含量不大于0.10％；抗压强度为435MPa～640MPa，压缩断裂应变为4.6％～21.1％，模量为46GPa～65GPa，密度为2.13g/cm³～3.24g/cm³。

所述高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)按照原子摩尔百分比称量金属Mg、金属Al、金属Zn、金属Cu和Mg-30wt％Ce 中间合金；

(2)将金属Mg、金属Al、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金置于熔炼炉中，在通入保护气的条件下搅拌熔炼至金属完全熔化成金属熔体A，加入金属Zn，继续搅拌熔炼熔化得到金属熔体B，捞出表面杂质，水冷得到高强度高模量镁基多组元轻质合金。

所述步骤(2)熔炼温度为720～760℃。

所述步骤(2)保护气体为CO₂和SF₆混合气体，保护气体中CO₂的体积分数为 95～99％，SF₆是一种无色、无嗅、无毒、化学惰性很强的气体，SF₆气体保护熔炼具有以下特点：SF₆是一种无毒、无味的气体，对人体不会造成直接危害；在CO₂和SF₆混合气体中，只需要很少量的SF₆就可以起到保护作用，成本低；SF₆混合不会对镁液产生污染，可以大大减少熔炼过程中带来的夹渣缺陷，有效降低镁合金铸件的腐蚀速率，提高耐蚀性能。

本发明优选的熔炼炉为电阻熔炼炉。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过调节Zn元素的原子百分比，对合金基体实现过饱和固溶，显著增加镁基合金的多组元化中高模量第二相数量，实现材料整体模量的突破，其抗压强度达435MPa～640MPa，压缩断裂应变为4.6％～21.1％，模量为46GPa～65GPa，密度为 2.13g/cm³～3.24g/cm³；

(2)本发明方法的制备方法操作简单、安全可靠、成本低廉，所使用的原料和保护气体工业上易于获取；

(3)本发明镁基多组元轻质合金中Al和Zn元素是镁基合金中常见的合金元素，Cu和稀土Ce虽然密度较大，但与Mg、Al和Zn具有较负的混合焓，易于形成热力学上较稳定的第二相。

附图说明

图1为镁基多组元轻质合金抗压强度和弹性模量的关系曲线；

图2为镁基多组元轻质合金抗压强度、屈服强度和断裂应变随Zn原子比含量的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：镁基多组元轻质合金为Mg_86.5Al₅Zn₄Cu₄Ce_0.5，元素的添加方式：Mg、Al、Zn和Cu均由纯Mg(99.9wt.％)、纯Al(99.7wt.％)、纯Zn(99.9wt.％)、纯Cu(99.9wt.％)，Ce元素以Mg-30wt％Ce中间合金的方式添加；

一种高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)配料：原料采用纯Mg、纯Al、纯Zn、纯Cu和Mg-30wt％Ce中间合金，根据原子摩尔百分比配制而成，考虑到熔炼过程中元素的烧损，配料时需要考虑各元素的烧损量，并把金属表面的氧化膜打磨掉；

(2)将金属Mg、金属Al、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金置于电阻熔炼炉中，在通入保护气(CO₂和SF₆混合气体)的条件下，匀速升温至温度为720℃并搅拌熔炼至金属完全熔化成金属熔体A，加入金属Zn，继续搅拌熔炼熔化得到金属熔体B，捞出表面杂质，水冷得到高强度高模量镁基多组元轻质合金，其中保护气体中CO₂的体积分数为 95％；

本实例得到的高强度高模量镁基多组元轻质合金Mg_86.5Al₅Zn₄Cu₄Ce_0.5，密度为2.13g/cm³，室温下，其抗压强度为438±3MPa，断裂应变为20.5±0.6％，弹性模量为 46.5±0.4GPa。

实施例2：镁基多组元轻质合金为Mg_82.5Al₅Zn₈Cu₄Ce_0.5，元素的添加方式：Mg、Al、Zn和Cu均由纯Mg(99.9wt.％)、纯Al(99.7wt.％)、纯Zn(99.9wt.％)、纯Cu(99.9wt.％)，Ce元素以Mg-30wt％Ce中间合金的方式添加；

(2)将金属Mg、金属Al、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金置于电阻熔炼炉中，在通入保护气(CO₂和SF₆混合气体)的条件下，匀速升温至温度为730℃并搅拌熔炼至金属完全熔化成金属熔体A，加入金属Zn，继续搅拌熔炼熔化得到金属熔体B，捞出表面杂质，水冷得到高强度高模量镁基多组元轻质合金，其中保护气体中CO₂的体积分数为97％；

本实例得到的高强度高模量镁基多组元轻质合金Mg_82.5Al₅Zn₈Cu₄Ce_0.5，密度为2.39g/cm³，室温下，其抗压强度为498±6MPa，断裂应变为15.0±0.5％，弹性模量为 52.1±0.4GPa。

实施例3：镁基多组元轻质合金为Mg_76.5Al₅Zn₁₄Cu₄Ce_0.5，元素的添加方式：Mg、Al、Zn和Cu均由纯Mg(99.9wt.％)、纯Al(99.7wt.％)、纯Zn(99.9wt.％)、纯Cu(99.9wt.％)，Ce元素以Mg-30wt％Ce中间合金的方式添加；

(2)将金属Mg、金属Al、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金置于电阻熔炼炉中，在通入保护气(CO₂和SF₆混合气体)的条件下，匀速升温至温度为750℃并搅拌熔炼至金属完全熔化成金属熔体A，加入金属Zn，继续搅拌熔炼熔化得到金属熔体B，捞出表面杂质，水冷得到高强度高模量镁基多组元轻质合金，其中保护气体中CO₂的体积分数为 98％；

本实例得到的高强度高模量镁基多组元轻质合金Mg_76.5Al₅Zn₁₄Cu₄Ce_0.5，密度为2.78g/cm³；室温下，其抗压强度为550±6MPa，断裂应变为10.2±0.5％，弹性模量为 57.9±0.4GPa。

实施例4：镁基多组元轻质合金为Mg_72.5Al₅Zn₁₈Cu₄Ce_0.5，元素的添加方式：Mg、Al、Zn和Cu均由纯Mg(99.9wt.％)、纯Al(99.7wt.％)、纯Zn(99.9wt.％)、纯Cu(99.9wt.％)，Ce元素以Mg-30wt％Ce中间合金的方式添加；

(2)将金属Mg、金属Al、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金置于电阻熔炼炉中，在通入保护气(CO₂和SF₆混合气体)的条件下，匀速升温至温度为760℃并搅拌熔炼至金属完全熔化成金属熔体A，加入金属Zn，继续搅拌熔炼熔化得到金属熔体B，捞出表面杂质，水冷得到高强度高模量镁基多组元轻质合金，其中保护气体中CO₂的体积分数为 99％；

本实例得到的高强度高模量镁基多组元轻质合金Mg_72.5Al₅Zn₁₈Cu₄Ce_0.5，密度为3.01g/cm³，室温下，其抗压强度为579±10MPa，断裂应变为7.7±0.5％，弹性模量为 60.0±0.4GPa。

实施例5：镁基多组元轻质合金为Mg_67.5Al₅Zn₂₃Cu₄Ce_0.5，元素的添加方式：Mg、Al、Zn和Cu均由纯Mg(99.9wt.％)、纯Al(99.7wt.％)、纯Zn(99.9wt.％)、纯Cu(99.9wt.％)，Ce元素以Mg-30wt％Ce中间合金的方式添加；

本实例得到的高强度高模量镁基多组元轻质合金Mg_67.5Al₅Zn₂₃Cu₄Ce_0.5，密度为3.24g/cm³；室温下，其抗压强度为627±9MPa，断裂应变为4.8±0.2％，弹性模量为 64.8±0.4GPa；

镁基多组元轻质合金抗压强度和弹性模量的关系曲线见图1，从图1可知，本发明得到的镁基多组元轻质合金的抗压强度和弹性模量相比于纯镁和常见的AZ91镁合金都有明显的提高。其中，相较于纯镁，实例5的镁基多组元轻质合金抗压强度提高了73.6％，弹性模量提高了47.3％；

镁基多组元轻质合金抗压强度、屈服强度和断裂应变随Zn原子比含量的变化曲线见图 2，从图2可知，镁基多组元轻质合金的强度和屈服强度随着Zn含量的变化呈现线性上升的趋势，但是镁基多组元轻质合金的断裂应变也随之呈现线性下降的趋势；这是由于随着Zn 含量的增加，镁基多组元轻质合金中高强度、高模量的第二相数量不断增多，合金中第二相对位错的阻碍效果明显增加，大量位错在第二相周围相互缠结，产生应力集中，对合金中的抗压强度和屈服强度具有显著的强化效果；同时，根据混合法则，合金的弹性模量主要取决于合金中组成相的弹性模量和其体积分数，所以第二相数量的增多同样能够使得镁基多组元轻质合金的弹性模量成直线上升；但是第二相数量的增多同样也会对镁基体造成严重的割裂作用，使得位错难以进行滑移，应力集中不能得到及时的释放，材料的断裂便会随之而来。

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种高强度高模量镁基多组元轻质合金，其特征在于：包括Mg、Al、Zn、Cu和Ce元素，原子摩尔百分比为：Al4％～6％，Zn4％～23％，Cu3％～5％，Ce0.4％～0.6％，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质的总质量百分含量不大于0.10％；抗压强度为435MPa～640MPa，压缩断裂应变为4.6％～21.1％，模量为46GPa～65GPa，密度为2.13g/cm³～3.24g/cm³；通过调控Zn元素的含量对合金基体实现过饱和固溶，同时增加第二相的种类和数量；

(1)按照原子摩尔百分比称量金属Mg、金属Al、金属Zn、金属Cu和Mg-30wt％Ce中间合金；

2.权利要求1所述高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)熔炼温度为720～760℃。

4.根据权利要求2所述高强度高模量镁基多组元轻质合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)保护气体为CO₂和SF₆混合气体，保护气体中CO₂的体积分数为95～99％。