一种高密度孪晶结构ZK21镁合金块体材料制备方法与流程

本发明涉及一种孪晶结构zk21镁合金制备方法，具体涉及一种高密度孪晶结构zk21镁合金块体材料制备方法。
背景技术：
镁合金是最轻的金属结构材料，具有高比强度、高比刚度、良好的减振能力、优良的导热性和导电性、良好的尺寸稳定性、电磁屏蔽性和易于回收等特性。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，镁合金作为新型工程材料迅速崛起，逐渐成为铝合金、钢铁和工程塑料等工程材料的理想替代品，在航空航天、交通运输、武器装备和电子电器等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。但镁合金的强度偏低以及高强镁合金开发的滞后严重制约了镁合金的大规模应用，因此，高强镁合金的研究和开发成为其满足工业需求的重要发展方向。孪晶强化是金属材料强化的有效方法，如何制备高密度孪晶结构提供足够的强化成为金属材料研究的热点，目前电解沉积、磁控溅射沉积等方法只能制备薄膜尺度高密度孪晶，高密度孪晶结构块体材料制备方法还鲜有报道。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提供一种高密度孪晶结构zk21镁合金块体材料制备方法，该方法工艺简单，加工效率高，可有效强化zk21镁合金。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高密度孪晶结构zk21镁合金块体材料制备方法，包括合金的铸造和塑性加工，所述合金的铸造模具为方形水冷铜模，模具成型尺寸为150mm*150mm*150mm，模具冷却水容量为300±10ml，冷却水流速为3±0.5升/分钟；所述合金的塑性加工方式为室温小道次应变高应变速率三向锻造，锻造设备为空气锤，道次应变量为5±0.5％，变形道次为12道次。进一步，所述方形水冷铜模模具冷却水容量为300±5ml，更优选300ml。进一步，所述方形水冷铜模冷却水流速为3±0.2升/分钟，更优选3升/分钟。进一步，所述合金塑性加工前的状态为铸态块体材料。进一步，道次应变量为5±0.2％，更优选5％。进一步，空气锤的锻打次数为200±5次/min，更优选200次/min，锻打速度为5±0.5m/s，更优选5±0.5m/s。本发明的有益效果在于：(1)合金的铸造模具为方形水冷铜模，模具成型尺寸为150mm*150mm*150mm，模具冷却水容量为300±10ml，冷却水流速为3±0.5升/分钟，此时铸锭可以获得组织粗大的等轴晶组织，使得晶界滑移难以在后续塑性变形中发挥作用，从而促进孪生作用，保证高密度孪晶的形成；此外，合金元素在快速冷却的过程中来不及析出，基本获得单相固溶体，在塑性加工前无需进行热处理，缩短了制备周期。(2)合金的塑性加工温度为室温，在此温度下基面滑移、柱面滑移和锥面滑移难以启动，塑性变形主要以孪生机制进行，从而保证高密度孪晶的形成。(3)塑性加工方式为室温小道次应变高应变速率多向锻造，锻造设备为空气锤，道次应变量为5±0.5％；在高速变形条件下，由于可用于位错滑移的时间较短，孪生成为塑性变形主要机制，保证高密度孪晶的形成；在三向载荷循环作用下初始晶界附近的应力集中得以降低，再结晶难以在初始晶界附近启动，变形储能主要通过孪生机制消耗，进一步保证高密度孪晶形成。采用5±0.5％的小道次应变量，初始晶界附近累积的位错不足以启动再结晶，变形储能主要通过孪生机制消耗，也在一定程度上保证高密度孪晶的形成。附图说明图1为铸造合金的微观组织形貌；图2为室温小道次应变高应变速率多向锻造工艺示意图；图3为实施例1成形过程中第3道次合金的微观组织形貌；图4为实施例1成形过程中第6道次合金的微观组织形貌；图5为实施例1成形过程中第9道次合金的微观组织形貌；图6为实施例1成形过程中第12道次合金的微观组织形貌；图7为实施例1制备的高密度孪晶结构tem像；图8为实施例1制备的高密度孪晶结构合金的低倍微观组织形貌；图9为zk21镁合金实施例前后的室温拉升曲线。具体实施方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。实施例1本实施例所选zk21镁合金，其成分为mg-2zn-0.45zr，加工前样品长宽高分别为35mm、35mm、40mm。一种高密度孪晶结构zk21镁合金块体材料制备方法，包括以下步骤：1)铸造工艺：根据镁合金熔炼方法制备zk21镁合金熔体，将熔体浇入方形水冷铜模，铜模成型尺寸为150mm*150mm*150mm，模具冷却水容量为300ml，冷却水流速为3升/分钟，浇注过程通过撒硫磺粉防止燃烧，待冷却后取出铸锭；在水冷铜模的作用下，合金凝固组织为晶粒粗大的等轴晶，且晶界附近没有粗大的第二相，基本获得单相固溶体组织，如图1所示；2)室温小道次应变高应变速率三向锻造：热加工成形在空气锤上进行，空气锤的锻打次数为200次/min，锻打速度为5m/s，三向锻造工艺如图2所示，锻打面按a-b-c-a…顺序进行，每锻一个面计作一道次，道次变形量为5％。热加工后样品表面良好，没有明显裂纹，没有明显的宏观损耗。下面结合实验数据对实施例1所获得的高密度孪晶结构合金的微观组织和力学性能进行分析。1.微观组织表征：选取实施例1中样品芯部制备微观组织观察样品，经过镶样、预磨、抛光、腐蚀，采用mm6卧式金相显微镜观察腐蚀后的样品，观察的平面垂直于取样前锻造方向，其显微组织形貌分别如图3-图6和图8所示。采用jem-3010对高密度孪晶组织进行分析，样品经电解双喷制备，双喷温度控制在-35℃左右，电流控制在50ma左右，电压控制在65～70v之间，其显微组织形貌如图7所示。从图3-图8可以看出，在实施例1中，变形前期，初始晶粒内产生大量孪晶，在晶界上几乎没有观察到再结晶晶粒，如图3所示；随着变形的继续，孪晶密度不断增加，没有观察到再结晶组织，如图4-图6所示；对高密度孪晶组织进行tem观察，可以发现孪晶片层厚度约为0.5-1μm，如图7所示。此外，在低倍光学显微镜下对其进行观察发现，在整个样品内部均形成高密度孪晶组织，并非局部特征，如图8所示。2.力学性能测试：根据国标gb228-2002的标准，将本发明实施例所述具有高密度孪晶结构的zk21镁合金加工成标准拉伸试样进行室温拉伸实验，拉伸方向平行于取样前锻造方向的下一锻造方向，所测得的室温拉升曲线如图9所示，其力学性能见表1。从图9和表1可以看出，运用本发明可大幅提高zk21镁合金的屈服强度和抗拉强度，制备的具有高密度孪晶结构的zk21镁合金块体材料具有超高的强度。表1实施例加工样品的力学性能实施例屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)变形前126.2211.9实施例1281.9407.7本发明所述的高密度孪晶结构zk21镁合金块体材料制备方法，通过水冷铜模的作用，获得粗大等轴且近似固溶体的铸造组织，铸锭塑性加工前无需热处理；利用低温、高速、小道次应变和三向循环载荷获得高密度孪晶结构，制备的高密度孪晶结构zk21镁合金具有超高强度；此外，本发明加工周期短，适于块体zk21镁合金的大批量生产。最后，需要指出的是，以上实施例只是用于说明本发明而非限制，事实上，本发明的方法对其他合金也同样适用；本领域技术人员在本发明的教导下对产品做简单替换时，仍属于本发明的保护范围。当前第1页12