一种调控镁合金的长周期结构相的方法与流程

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种调控镁合金的长周期结构相的方法。

背景技术：

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，铸造性能及切削加工性优良、减振及阻尼性能好等特点，其在实现轻量化、降低能耗等方面有显著的优势，在汽车、航空航天、电子技术等领域得到日益广泛的应用。但是，由于镁合金强度低、塑性差、易被氧化侵蚀等基础性问题，极大地限制了镁合金的应用，因此寻找有效的强化手段是开发高强镁合金的关键问题。

镁合金中长周期结构(LPSO)本身强韧性好，硬度高，而且在较高温度下仍能保持较好的稳定性，对镁合金综合性能的提高有着显著效果，因而受到人们极大地关注。长周期结构有多种类型，一般分为6H、10H、14H、18R和24R，其中14H和18R两种类型最为常见。不同类型的结构在镁合金中的分布、形态及尺寸不同，表现出来的性能也有所差异。因此找到一种控制LPSO相的方法，使其分布更均匀、形状更规则、尺寸更小，才能最大限度地发挥其强化作用。徐志超等人提出的“一种LPSO相层状复合镁合金材料的制备方法”(CN104878230A)采用定向凝固的方法控制LPSO相的生长过程，得到一种具有单一方向的LPSO相层状复合镁合金材料。尹建等人提出了“一种长周期结构增强镁合金半固态浆料及其制备方法”(CN104152775A)，所制备的合金成分为2.2％Ni，5.8％Gd，5.3Nd％，余量为Mg。先将合金在氩气气氛下熔炼，凝固后得到母合金锭；再将制得的合金放入不锈钢坩埚中重熔，然后在脉冲磁场作用下凝固制得长周期结构增强镁合金半固态浆料，最后得到分布较为均匀的LPSO相。滕新营等人提出的“一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法”(CN105112828A)将制备的Mg-Zn-Y合金进行固溶及时效处理，合金中LPSO相变为均匀分布的细针状，体积分数最大为56.41％，细针状结构厚度最小为27.5nm。罗素琴等人提出的“一种高强度高塑性镁合金”(CN104328320A)制得的合金元素含量为3.0-4.5％Ni、4.0-5.0％Y、0.01-0.1％Zr，余量为Mg以及不可避免的杂质(≤0.15％)。熔炼后凝固得到的铸件在470℃下均匀化退火16h后进行热挤压，制得镁合金棒材。得到的挤压态合金中，LPSO相均匀分布于基体，部分发生了扭折变形，合金力学性能得到明显提高，屈服强度、最大抗拉强度和伸长率分别为300MPa，400MPa，7.8％。

从现有专利文献来看，目前对镁合金中LPSO相进行调控的主要途径有改变元素组成及含量、控制凝固过程、对制件进行塑性变形加工及对制件进行热处理。其中，对合金凝固过程进行控制，不仅能够直接获得高性能的铸件，还可以均化铸锭的初始组织，提高后续热处理或者塑性变形对LPSO相的分布及形态的改善效果。合金凝固过程的控制方法主要包括变质法、合金化法、外场作用法(如施加电磁场)、快速凝固法等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种调控镁合金中长周期结构相的方法，该方法可以有效细化初生α-Mg晶粒与LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圆整度；并缩短α-Mg与LPSO相的生长时间，改善铸件品质。

本发明提供的一种调控镁合金中长周期结构相的方法，其特征在于，该方法利用超声振动对镁合金熔体进行处理，以细化初生α-Mg晶粒与LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圆整度；然后将熔体浇入预热好的模具中，并加以压力，使浇入模具中的熔体能够快速凝固，缩短α-Mg与LPSO相的生长时间，以更有效地发挥超声处理的作用，以进一步细化α-Mg与LPSO相，改善铸件品质。

作为上述技术方案的改进，该方法所用的合金成分按质量分数计，为1.0-2.8％Ni或Zn，2.0-3.8％Y，0.0-0.4％Zr，余量为Mg以及不可避免的杂质，通过以下技术方案实现:

第一步按照设计的合金元素进行配比，所用的Mg、Ni或Zn、Y、Zr分别为纯镁、纯镍或纯锌，Mg-(10～30％)Y和Mg-(10～30％)Zr中间合金；

第二步合金原料在760℃-790℃的温度下进行熔炼，整个过程持续通入N₂和SF₆混合气体保护，其中SF₆的体积分数为0.5-1.5％；

第三步原料完全熔化后，将熔体温度降至730℃-760℃，通入氩气进行精炼，精炼结束后扒渣，保温静置；

第四步将熔体温度降至710-730℃，用预热好的容器盛金属液，置于保温炉中保温，保温温度为合金液相线温度以下10-30℃；

第五步待容器内熔体温度降至合金液相线温度以上10℃-60℃时开始进行超声处理；超声功率500-3000W，持续时间1min-5min；

第六步振动结束后，将金属液浇入预热的模具中，合模后立即施加压力，压力大小为50-500MPa，保压时间1min-3min。

作为上述技术方案的进一步改进，第三步中通入氩气进行精炼的持续时间为10-15min。

本发明方法中氩气选用高纯度的，一般说高纯氩气的纯度是99.999％。

本发明在Mg-RE合金中加入Zn、Cu、Ni等元素，并满足一定的比例时能生成大量的长周期结构，本发明根据现有的Mg-X-RE(X＝Zn,Cu,Ni)系合金中长周期结构的形成规律，通过改变Ni(或Zn)/Y元素的加入量设计合金成分，并结合超声处理及较高压力下的凝固来控制LPSO相的形态、尺寸及分布，以充分发挥其强化作用。经过这种方法制备的合金中LPSO相的尺寸与未经处理合金中LPSO相尺寸相比明显减小，并且分布于晶内的粗大层片状LPSO相数量减少，而细针状相增多，因此能有效强化合金，提高合金综合性能，为制备高强度高韧性镁合金提供一种新技术。具体而言，本发明有以下有益效果：

(1)本发明能够打断合金中的立体网状LPSO相，减少其对镁基体的割裂作用；

(2)本发明能够消除晶界处块状的LPSO相，减小LPSO相的厚度，充分发挥其强化作用；

(3)超声处理能降低成分偏析，使LPSO相均匀分布，提高铸件性能的稳定性；

(4)超声振动与压力作用于合金的凝固过程，基体组织大幅细化。经过处理后的熔体在压力下凝固，冷却速度快，能够保留超声处理得到的细小圆整的晶粒，提高合金强度。

附图说明

图1是本发明方法的流程图：其中，1-熔炼炉；2-坩埚；3-通气管；4-超声变幅杆；5-保温炉；6-凸模；7-凹模；

图2是Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)合金直接浇铸(a)与超声处理后挤压成形(b)显微组织对比。

具体实施方式

对合金液施加超声是一种绿色无污染的外场处理技术，超声不仅能细化合金的初生相，还能改善二次相或共晶组织的形态和分布，近年来受到广泛关注。对凝固过程中的合金施加压力，可使合金与铸型始终紧密接触，提高冷却速度，从而起到改善凝固组织的作用。将超声振动和压力先后作用于凝固中的镁合金，将大幅改善LPSO相的形态和分布。

本发明利用超声振动对镁合金熔体进行处理，然后将熔体浇入预热好的模具中，使其在较高的压力下凝固成形；本发明的主要思想是，超声振动是一种简便、高效、无污染的技术，可以有效细化初生α-Mg晶粒与LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圆整度。但是经过超声处理后的熔体在模具中冷却凝固时，原本细小而圆整的晶粒会继续长大成为树枝晶，降低合金性能；若浇入模具中的熔体能够快速凝固，缩短α-Mg与LPSO相的生长时间，则能更有效地发挥超声处理的作用，而挤压铸造成形能够达到这一目的，并且可以进一步细化α-Mg与LPSO相，改善铸件品质。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明方法包括下述步骤：

第一步根据合金成分准备原料。

第二步所有合金原料在干燥箱中进行烘干预热，温度150-200℃，预热时间10-30min。

第三步将预热后的镁锭放入图1熔炼炉1内的坩埚2中，升温至500℃，保温10-30min；整个熔炼过程均由通气管3持续通入N₂和SF₆混合气体保护，其中SF₆体积占比0.5-1.5％；

第四步继续升温至700℃，保温；

第五步待镁锭完全熔化后，将熔体升温至750-770℃，加入剩余合金原料，保温20-40min；

第六步将熔体继续升温至780℃，搅拌后保温10min-40min；

第七步调节坩埚2内的熔体温度至730-760℃，通入高纯氩气进行精炼，持续时间10min-15min；精炼后扒渣，静置30-60min；

第八步将熔体降温至710℃-730℃，待温度稳定后用预热好的容器盛金属液，置于保温炉5中保温，保温温度在液相线以下10-30℃，熔体冷却速度0.1-3℃/s。

第九步待温度冷却至合金液相线温度以上10-50℃时将超声变幅杆4伸入金属液中开始振动，功率500-3000W，时间1-5min；

第十步振动结束后，将金属液浇入预热凹模7中，然后立即降下凸模6进行挤压成形，模具预热温度200-300℃，挤压压力50-500Mpa，保压时间1-3min。

实例：

实施例1

制备化学成分为Mg-2.8Ni-3.8Y-0.4Zr(wt.％)的合金。采用99.9％纯镁，99.9％纯镍，Mg-30％Y和Mg-30％Zr中间合金为原料，在200℃下烘干30min。将镁锭放入熔炼炉1内的坩埚2中，随炉升温至500℃后保温10min，继续升温至700℃。待镁锭全部熔化后将镍屑加入熔体中，并升温至770℃；镍屑溶解后，加入Mg-30％Zr和Mg-30％Y中间合金并保温30min；随后升温至780℃进行搅拌。所有原料全部熔化后，调节熔体温度，使熔体温度稳定在730℃后通入高纯氩气进行精炼，调节氩气流量保证金属液不发生飞溅，持续时间12min，并扒除表面浮渣，静置30min。整个熔炼过程均由通气管3通入N₂和SF₆混合气体保护。

调节熔体温度至720℃，将金属液倒入保温炉5内的容器中(保温温度630℃)，同时向炉膛内通入氩气保护。熔体温度降至680℃后利用变幅杆4对金属液进行超声振动处理，超声功率2500W，持续振动120s后，熔体温度降至640℃，将容器内金属液浇入凹模7中，模具提前预热至270℃；然后立即降下凸模6，挤压金属液获得铸件，挤压压力300MPa，保压时间150s。实施例2

制备化学成分为Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)的合金。采用99.9％纯镁，99.9％纯锌，Mg-10％Y和Mg-20％Zr中间合金为原料，在150℃下烘干50min。先将镁锭放入熔炼炉1内的坩埚2中，随炉升温至500℃后保温10min，继续升温至700℃。待镁锭全部熔化后升温至770℃，加入小块状锌和Mg-30％Zr、Mg-30％Y合金并保温30min；随后升温至780℃进行搅拌。所有原料全部熔化后，调节熔体温度至730℃，向其中通入高纯氩气进行精炼，调节氩气流量保证金属液不发生飞溅，持续通气10min，接着扒除表面浮渣，静置30min。整个熔炼过程均由通气管3通入N₂和SF₆混合气体保护。

调节熔体温度至710℃，待温度稳定后，将金属液倒入保温炉内的容器中(保温温度为620℃)，同时向炉膛内通入氩气保护。熔体温度降至665℃后利用变幅杆4对金属液进行超声振动处理，超声功率1500W，持续振动90s后，熔体温度降至625℃，将容器内金属液浇入凹模7中，模具提前预热至250℃；然后立即降下凸模6，挤压金属液获得铸件，挤压压力400MPa，保压时间90s。所得合金显微组织如图2(右)所示。可以看出，经过超声振动及压力下凝固得到的合金中LPSO相尺寸明显减小，有利于提高合金综合性能。

实施例3：

制备化学成分为Mg-1.0Ni-2.0Y(wt.％)的合金。采用99.9％纯镁，99.9％纯镍，Mg-20％Y中间合金为原料，在200℃下烘干60min。将镁锭放入熔炼炉1内的坩埚2中，随炉升温至500℃后保温10min，继续升温至700℃。待镁锭全部熔化后将镍屑加入熔体中，并升温至770℃，保温30min；镍屑溶解后，加入Mg-30％Y中间合金并保温30min；随后升温至780℃进行搅拌。所有原料全部熔化后，调节熔炼炉温控，使熔体温度稳定在740℃，然后通入高纯氩气进行精炼，调节氩气流量保证金属液不发生飞溅，持续时间15min，并扒除表面浮渣，静置40min。整个熔炼过程均由通气管3通入N₂和SF₆混合气体保护。

调节熔体温度至730℃，将金属液倒入保温炉内的容器中(保温温度630℃)，同时向炉膛内通入氩气保护。熔体温度降至700℃后利用变幅杆4对金属液进行超声振动处理，超声功率2000W，持续振动150s后，熔体温度降至635℃，将容器内金属液浇入凹模7中，模具提前预热至300℃；然后立即降下凸模6，挤压金属液获得铸件，挤压压力200MPa，保压时间130s。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。