CN116043083A - 一种自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金及其制备方法，涉及一种泡沫镁合金的制备方法。为了解现有的泡沫镁合金的制备工艺复杂、成本高和存在危险的问题。自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由12～30wt％的Gd、10～20wt％的Al、0～8wt％的X和余量的Mg组成；并且Gd和Al质量比＞0.9。方法：称取原料、熔炼合金、铸锭成型。本发明中多孔镁合金的气孔含量、尺寸可以通过可知成分和冷却液速率来调节。本发明提供的自发泡多孔镁合金就有较高的孔隙率35％‑69％，压缩屈服强度为10‑155MPa，弹性模量为6‑40GPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫镁合金的制备方法。
背景技术
泡沫镁合金是一种性能优异的新兴材料，结构特殊，基体中分布着大量连通或不连通的孔洞，不但具有良好的力学性能，还可以用作功能材料。泡沫金属不仅具有泡沫材料所特有的孔隙率高、比重小和比表面积大等特点，而且这些特殊的结构使得泡沫金属具有具有较高的阻尼性能、优异的热物理性能、优良的流通和过滤分离性能、良好的声学及电磁学性能等特点。因此，泡沫金属材料的这种特殊性能使其具有十分广阔的应用前景。
现有技术中，多孔镁合金的制备方法主要包括溶体括渗流铸造法、熔模铸造法、粉末冶金法、熔体发泡法等。其中渗流铸造法中镁或镁合金金属液易被氧化，可能引起爆炸，同时添加的水溶性颗粒会腐蚀基体。熔模铸造法主要借助于带有三维连通结构的泡沫海绵，但是成本较高，并且浆料难以清除。溶体发泡法主要借助发泡剂如碳酸镁、碳酸钙等，同时需要借住增粘剂来提高镁合金溶体粘度。
金属-气体共晶定向凝固法是氢气在高压中在镁合金中达到饱和，然后定向凝固中析出，但是其工艺危险性大等，同时还有一些其他的方法制备多孔镁合金，但是现有技术中还没有一种依靠传统铸造方法就可以完成发泡的多孔镁合金材料。从传统铸造法制备多孔镁合金不仅成本低，而且简单、安全，必将成为多孔镁合金发展的必然趋势。
“一种含稀土Sm的自发泡多孔镁合金及其制备方法”中Al的主要作用是因为Al能够和Zn和Sm结合形成三元相，其中也多包括三元准晶，三元准晶相在凝固过程只能够对气体的吸收和释放起着调节作用，无法实现本发明中多孔镁合金的气孔含量和尺寸可调节。
发明内容
本发明为了解现有的泡沫镁合金的制备工艺复杂、成本高和存在危险的问题，提出一种自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金及其制备方法。
本发明自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由12～30wt％的Gd、10～20wt％的Al、0～8wt％的X和余量的Mg组成；并且Gd和Al质量比＞0.9；
所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种。
上述自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；
所述镁合金中元素的质量分数为：Gd：12～30wt％、Al：10～20wt％、X：0～8wt％，Mg为余量，并且Gd和Al质量比＞0.9；所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种；
步骤一所述预热工艺为：在100～400℃保温5～60min；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼温度为660～880℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述冷却速率为1～50℃/s。
本发明原理及有益效果为：
1、本发明镁合金中主要含有Mg，Al，Gd元素，熔化后三者形成的溶体能够吸收大量的气体，在凝固过程中，随着温度的降低，气体逐渐析出从而形成气泡；并且本发明合金中原位生成的Al2RE相可以有效使得溶体变粘，使本发明提供的多孔镁合金不需要借助任何发泡剂、增粘剂或者任何特殊的铸造工艺及条件就可以实现多孔镁合金的制备，即实现自发泡。另外通过调整Al和Gd生成的Al2Gd的含量可以调节合金粘度，也可以调节对气体的吸收和释放，进而实现对镁合金的气孔含量、尺寸的调节；因此，本发明中多孔镁合金的气孔含量、尺寸可以通过可知成分和冷却液速率来调节。
2、本发明提供的自发泡多孔镁合金具有较高的孔隙率同时较好的力学性能和较高的模量，其原因主要是原位自生成的Al2RE相对泡沫镁合金有这强化的作用，本发明提供的自发泡多孔镁合金就有较高的孔隙率35％-69％，压缩屈服强度为10-155MPa，弹性模量为6-40GPa。
3、本发明镁合金成分简单，易于调节成分，同时相比传统制造泡沫镁合金的方法，本发明镁合金和制备方法具有可靠、成本低、简单、安全等特点。
4、本发明中Al能和Ca和RE相有着很强的结合性，产生Al2RE和Al2Ca相能够提高模量和力学性能；Al通过和Gd生成Al2Gd二元相，而Al2Gd二元相在凝固过程中能够对气体的吸收和释放起着调节作用，从而使得本发明多孔镁合金的含量和尺寸可调节。
附图说明
图1为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的实物图；
图2为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的光学显微组织图；
图3为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的背电子散射电镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由12～30wt％的Gd、10～20wt％的Al、0～8wt％的X和余量的Mg组成；并且Gd和Al质量比＞0.9；所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式镁合金中主要含有Mg，Al，Gd元素，熔化后三者形成的溶体能够吸收大量的气体，在凝固过程中，随着温度的降低，气体逐渐析出从而形成气泡；并且本实施方式合金中原位生成的Al2RE相可以有效使得溶体变粘，使本实施方式提供的多孔镁合金不需要借助任何发泡剂、增粘剂或者任何特殊的铸造工艺及条件就可以实现多孔镁合金的制备，即实现自发泡。另外通过调整Al和Gd生成的Al2Gd的含量可以调节合金粘度，也可以调节对气体的吸收和释放，进而实现对镁合金的气孔含量、尺寸的调节；因此，本实施方式中多孔镁合金的气孔含量、尺寸可以通过可知成分和冷却液速率来调节。
2、本实施方式提供的自发泡多孔镁合金具有较高的孔隙率同时较好的力学性能和较高的模量，其原因主要是原位自生成的Al2RE相对泡沫镁合金有这强化的作用，本实施方式提供的自发泡多孔镁合金就有较高的孔隙率35％-69％，压缩屈服强度为10-155MPa，弹性模量为6-40GPa。
3、本实施方式镁合金成分简单，易于调节成分，同时相比传统制造泡沫镁合金的方法，本实施方式镁合金和制备方法具有可靠、成本低、简单、安全等特点。
4、本实施方式中Al能和Ca和RE相有着很强的结合性，产生Al2RE和Al2Ca相能够提高模量和力学性能；Al通过和Gd生成Al2Gd二元相，而Al2Gd二元相在凝固过程中能够对气体的吸收和释放起着调节作用，从而使得本实施方式多孔镁合金的含量和尺寸可调节。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由16wt％的Gd、10wt％的Al、0.3％的Mn、7％的Y和余量的Mg组成。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由15wt％的Gd、12wt％的Al、0.3％的Mn、8％的Y和余量的Mg组成。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由20wt％的Gd、13wt％的Al、3％的Mn和余量的Mg组成。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由26wt％的Gd、13.3wt％的Al和余量的Mg组成。
具体实施方式六：本实施方式自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；
所述镁合金中元素的质量分数为：Gd：12～30wt％、Al：10～20wt％、X：0～8wt％，Mg为余量，并且Gd和Al质量比＞0.9；所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种；
步骤一所述预热工艺为：在100～400℃保温5～60min；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼温度为660～880℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述冷却速率为1～50℃/s。
1、本实施方式镁合金中主要含有Mg，Al，Gd元素，熔化后三者形成的溶体能够吸收大量的气体，在凝固过程中，随着温度的降低，气体逐渐析出从而形成气泡；并且本实施方式合金中原位生成的Al2RE相可以有效使得溶体变粘，使本实施方式提供的多孔镁合金不需要借助任何发泡剂、增粘剂或者任何特殊的铸造工艺及条件就可以实现多孔镁合金的制备，即实现自发泡。另外通过调整Al和Gd生成的Al2Gd的含量可以调节合金粘度，也可以调节对气体的吸收和释放，进而实现对镁合金的气孔含量、尺寸的调节；因此，本实施方式中多孔镁合金的气孔含量、尺寸可以通过可知成分和冷却液速率来调节。
2、本实施方式提供的自发泡多孔镁合金具有较高的孔隙率同时较好的力学性能和较高的模量，其原因主要是原位自生成的Al2RE相对泡沫镁合金有这强化的作用，本实施方式提供的自发泡多孔镁合金就有较高的孔隙率35％-69％，压缩屈服强度为10-155MPa，弹性模量为6-40GPa。
3、本实施方式镁合金成分简单，易于调节成分，同时相比传统制造泡沫镁合金的方法，本实施方式镁合金和制备方法具有可靠、成本低、简单、安全等特点。
4、本实施方式中Al能和Ca和RE相有着很强的结合性，产生Al2RE和Al2Ca相能够提高模量和力学性能；Al通过和Gd生成Al2Gd二元相，而Al2Gd二元相在凝固过程中能够对气体的吸收和释放起着调节作用，从而使得本实施方式多孔镁合金的含量和尺寸可调节。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一所述原料为镁稀土中间合金、铝基中间合金或镁基中间合金；所述镁稀土中间合金为Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Pr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Eu中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Tm中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Lu中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Ho中间合金中的一种或者几种；所述铝基中间合金为Al-Ge中间合金、Al-Sn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Li中间合金、Al-Ca中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Sb中间合金和Al-Ni中间合金的一种或者几种；所述镁基中间合金为Mg-Mn中间合金、Mg-Li中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Sb中间合金、Mg-Ni中间合金、Mg-Al中间合金中的一种或者几种。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六至七之一不同的是：步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却。
实施例1：
本实施例自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；镁合金中元素的质量分数为：Gd：16％，Al：10％，Mn：0.3％，Y:7％，Mg为余量；
步骤一所述预热工艺为：在200℃保温30min；
步骤一所述原料为纯Mg、Mg-30％Al、Mg-30％Gd和Mg-30％Y中间合金；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤二所述熔炼温度为800℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却；
步骤三所述冷却速率为5℃/s；
本实施例制备的高模量泡沫镁合金在室温下的孔隙率可以达到12％，压缩屈服强度为150MPa，弹性模量达到39GPa。
实施例2：
本实施例自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；镁合金中元素的质量分数为：Gd：15％，Al：12％，Y：8％，Mn：0.3％，Mg为余量；
步骤一所述预热工艺为：在200℃保温30min；
步骤一所述原料为纯Mg、Mg-30％Al、Mg-30％Gd、Mg-30％Y和Mg-3％Mn中间合金；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤二所述熔炼温度为800℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却；
步骤三所述冷却速率为10℃/s；
图1为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的实物图；图2为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的光学显微组织图；图3为实列2得到的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的背电子散射电镜照片。图1～3能够说明在泡沫镁合金中产生了大量Al2RE颗粒，并且空隙分布相对均匀。按照GB/T 4472-84《密度、相对密度测定通则》，GB/T 7314-2017《金属材料室温压缩实验方法》，GB/T22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比式样方法》的标准测试其孔隙率、压缩屈服强度、弹性模量。本实施例制备的高模量泡沫镁合金在室温下的孔隙率可以达到39％，压缩屈服强度为89MPa，弹性模量达到32GPa。
实施例3：
本实施例自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；镁合金中元素的质量分数为：Gd：20％，Al：13％，Mn：3％，Mg为余量；
步骤一所述预热工艺为：在200℃保温30min；
步骤一所述原料为纯Mg、纯Al、Mg-30％Gd中间合金；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤二所述熔炼温度为800℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却；
步骤三所述冷却速率为10℃/s。
本实施例制备的高模量泡沫镁合金在室温下的孔隙率可以达到55％，压缩屈服强度为48MPa，弹性模量达到18GPa。
实施例4：
本实施例自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；镁合金中元素的质量分数为：Gd：26％，Al：13.3％，Mg为余量；
步骤一所述预热工艺为：在200℃保温30min；
步骤一所述原料为纯Mg、纯Al、Mg-30％Gd中间合金；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤二所述熔炼温度为800℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行；
步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却；
步骤三所述冷却速率为10℃/s。
本实施例制备的高模量泡沫镁合金在室温下的孔隙率可以达到63％，压缩屈服强度为30MPa，弹性模量达到15GPa。
Claims (10)
1.一种自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金，其特征在于：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由12～30wt％的Gd、10～20wt％的Al、0～8wt％的X和余量的Mg组成；并且Gd和Al质量比＞0.9；所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种。
2.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金，其特征在于：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由16wt％的Gd、10wt％的Al、0.3％的Mn、7％的Y和余量的Mg组成。
3.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金，其特征在于：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由15wt％的Gd、12wt％的Al、0.3％的Mn、8％的Y和余量的Mg组成。
4.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金，其特征在于：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由20wt％的Gd、13wt％的Al、3％的Mn和余量的Mg组成。
5.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金，其特征在于：自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金由26wt％的Gd、13.3wt％的Al和余量的Mg组成。
6.如权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、称取原料
按镁合金中元素的质量分数称取原料，并将原料预热；
所述镁合金中元素的质量分数为：Gd：12～30wt％、Al：10～20wt％、X：0～8wt％，Mg为余量，并且Gd和Al质量比＞0.9；所述X为Mn，Y，Ce，Sc，Ti，Ca，Ge，Sr，Sb，Sm，Nd，Pr，La，Eu，Dy，Lu，Li，Yb，Tm，Er，Sn，Ni，Ho一种或多种；
步骤一所述预热工艺为：在100～400℃保温5～60min；
二、熔炼合金
将步骤一称取的原料进行熔炼，得到合金溶液；
步骤二所述熔炼温度为660～880℃；
三、铸锭成型
将步骤二中合金溶液进行铸造，冷却后得到自发泡原位生成颗粒增强高模量泡沫镁合金铸锭；
步骤三所述冷却速率为1～50℃/s。
7.根据权利要求6所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：步骤一所述原料为镁稀土中间合金、铝基中间合金或镁基中间合金；所述镁稀土中间合金为Mg-La中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Pr中间合金、Mg-Nd中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Eu中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Er中间合金、Mg-Tm中间合金、Mg-Yb中间合金、Mg-Lu中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Sc中间合金、Mg-Ho中间合金中的一种或者几种；所述铝基中间合金为Al-Ge中间合金、Al-Sn中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Li中间合金、Al-Ca中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Sb中间合金和Al-Ni中间合金的一种或者几种；所述镁基中间合金为Mg-Mn中间合金、Mg-Li中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Sb中间合金、Mg-Ni中间合金、Mg-Al中间合金中的一种或者几种。
8.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：步骤二所述熔炼在在SF6和CO2混合气体保护条件下进行。
9.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：步骤三所述铸锭成型在SF6和CO2混合气体保护条件下进行。
10.根据权利要求1所述的自发泡原位自生颗粒增强高模量泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：步骤三所述铸造工艺为重力铸造，重力铸造所用的模具为金属模具，并在模具四周喷冷却液进行快速冷却。
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