一种纳米增强镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强度镁合金及其制备方法，尤其是一种纳米添加物增强镁合金 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 作为航空航天结构材料，一方面要求材料的强度高，另一方面要求材料的密度小。 镁合金是一种密度非常小的的金属材料，但是由于镁合金的原子结构特点，其塑性差，目前 的加工手段不能得到高强度的材料。如何提高镁合金的强度，是当前人们研究的焦点。
[0003] 中国专利CN103031452A公开了一种碳化硅颗粒增强镁基复合材料及制备方法， 该发明以纯Mg粉末、A1粉末和SiC颗粒微粉为原材料，采用粉末冶金和多向锻造法制备碳化 硅颗粒增强镁基复合材料。通过粉末冶金和多向锻造两种成型方法，使镁合金基体与SiC颗 粒之间具有良好的浸润性和结合性，而且消除了粉末冶金成型过程中残留在材料内部的孔 隙，最终获得了SiC颗粒均匀分布，镁合金基体晶粒细小的镁基复合材料，使该复合材料具 有更好的力学性能。该发明的镁合金的抗拉强度低于200MPa。
[0004] 中国专利104109790A提供了 一种高强镁合金材料及其制备方法，该镁合金材料组 分中包含铝(A1)，锌(Zn)，氯化锰(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，铍(Be)，镁(Mg)，其中，镁合金 材料各组分组成按重量百分比分别为:铝(A1): 10.5-12%，锌(Zn):6-7%，氯化锰(MnCl2): 0.6-1.5%，碳化硅(SiC)晶粒:2-3.5%，铍(Be) :0.01-0.03%，余量为镁(Mg)。该合金通过 连续铸造的方式取代传统的挤压工艺，以短流程的方式完成镁合金的生产，缩短了生产流 程，节约了成本，所制备的镁合金材料相比于传统的镁合金材料，在抗拉强度、屈服强度、延 伸率、弹性模量、硬度等方面均得到明显改善。
[0005] 中国专利102766774A提供了一种镁合金掺杂SiC颗粒的增强方法，针对镁合金模 量低、强度低、易磨损、耐高温性能差、热膨胀系数高的情况，采用在熔炼镁合金块过程中掺 杂细碳化硅和粗碳化硅颗粒，然后进行浇铸、加压和热挤压成型，大幅度提高镁合金的屈服 强度、硬度和耐磨性能，使屈服强度达328MPa±2MPa，硬度达120HV±5HV，耐磨性提高了 80% 〇
[0006] 以上发明都致力于提高镁合金的性能特别是强度性能，将镁合金的室温屈服强度 提高到了300多兆帕。不过，当前的钢铁、钛合金、铝合金等材料的强度一般都在400兆帕以 上，镁合金的强度与这些常用的工程材料还有一定的差距。
[0007]
【发明内容】
： 发明目的:为了拓展镁合金的应用领域，发挥其低密度的优点，本发明提供了一种高强 度镁合金及其制备方法。
[0008] 本发明的技术方案如下： 采用在纳米颗粒增强的方法，在熔炼的过程中向镁合金中掺入添加物，分散均匀，缓慢 冷却并抽真空让纳米颗粒进一步提高浓度，然后在高压下采用扭曲变形的方式，进一步细 化晶粒，提高合金的强度。根据本发明，可以制备一种纳米颗粒增强的高强镁合金。其显微 组织中的平均晶粒直径在60纳米以下，纳米颗粒的直径在100纳米以下，镁合金的屈服强度 在450MPa以上。
[0009] 具体制备方法包括以下步骤： (1) 准备原料:准备99.9%以上的高纯镁与高纯合金元素，以及平均粒径为100纳米以下 的纳米添加物； (2) 熔炼合金：将高纯镁与合金元素按照一定的原子比例配料，在保护气氛中熔炼，熔 炼过程中加入纳米添加物，保持温度在700 °C，采用超声的方法进行分散； (3) 对合金锭进行缓慢冷却，在冷却的过程中保持抽真空状态，真空度低于5torr; (4) 冷却后，将合金锭加工成圆盘状； (5) 将步骤（4)处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对 合金施加高压，并旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变。
[0010] (6)启动多功能乳机系统，设定上下乳辊的速比，速比为1.1 一 1.5 ;设定每次乳 制形变量为1-8%;设定低速辊的速度为0.5-2米/秒； (7) 启动主传动电机，开始乳制过程； (8) 待一次乳制过后，重复(2) (3)过程15次以上； (9) 进行重结晶退火热处理。
[0011] 其中，步骤（1)中的保护气体为C02与SF6的混合气体，步骤(3冲，冷却速度小于每 秒0.5k;步骤(5 )中合金承受的压力为1.5-5GPa;步骤(8 )中的乳制温度为室温:步骤(9 )中 的重结晶温度为镁的熔点的1/3~1/4,时间3-20分钟。
[0012] 本发明所采用的纳米添加物包含但不限于碳化硅、氧化硅、氧化钛;本发明所采用 的合金元素包含但不限于锌、铝、铜、铁、锰、钼、钛。
[0013] 作为优选，C〇2与SF6的体积比的范围是50:1~100:1; 作为优选，步骤(2 )中所加入的添加物颗粒占合金的质量分数为1.5~5%; 作为优选，步骤(5)中的旋转速度为每分钟2~5转，一共旋转3-20圈。
[0014]有益的效果： 本发明采用高强度的纳米添加物的颗粒作为增强颗粒，不仅可以起到细化晶粒的作 用，而且可以作为位错运动的障碍，阻止金属的位错移动，从而强化金属；同时，细化晶粒能 够起到改善合金塑性的作用。
[0015]本发明采用高温金属液体状态下进行超声分散，有效解决了纳米颗粒在金属中很 难分散均匀的问题。在液态金属状态下使用超声分散，可以将纳米颗粒分散均匀，以解决传 统混合、搅拌等技术中纳米颗粒分散不好的缺陷。熔炼后采用缓慢冷却，同时保持真空度， 可以使镁的金属蒸汽不断地被抽出，降低合金中镁的含量，从而提高合金中纳米颗粒的体 积分数，进一步增强纳米颗粒强化的效果;同时合金元素的含量也会增加。
[0016 ]在施加高压扭曲形变的过程中，合金基体中较大的晶粒被分解成更细小的纳米晶 粒。此外，本发明采用异步乳制对材料进行进一步加工，这种乳制方法可以进一步细化晶 粒，并且可以在组织内部形成粗细晶粒分布，这种材料结构可以达到极大的背加工硬化，这 是在均匀晶粒的材料或常规加工的材料中不存在的。本发明采用微加工，多道次，适于得到 目标组织。最终合金的平均晶粒直径一般在60纳米以下，根据霍尔-配奇关系，晶粒变得细 小，可以使得合金的强度更高，同时，也可以改善合金的塑性。通过本发明制备的镁合金，其 屈服强度可以高达450MPa以上，可以应用于汽车轻量化工程、航天航空工程等领域。
[0017]【具体实施方式】 下面通过实施例详细描述本发明的制备方法，但不构成对本发明的限制。
[0018] 实施例1 (1) 准备原料:准备99.9%以上的高纯镁与高纯锌，以及平均粒径为90纳米的纳米SiC; (2) 熔炼合金：将高纯镁与锌按照6 :1的原子比例配料，在⑶2与SF6的混合气体中熔 炼，其中C02与SF6体积比是80:1;熔炼过程中加入占合金质量分数1.5%的纳米SiC，保持温 度在700 °C，采用超声的方法进行分散； (3) 对合金锭进行缓慢冷却，冷却速度每秒0.3k;在冷却的过程中保持抽真空状态，真 空度3torr; (4) 冷却后，将合金锭加工成圆盘状； (5) 将步骤（4)处理的粗晶合金圆盘放入上、下两个压砧中的凹槽形成的空间内，对 合金施加5GPa高压，并以每分钟5转的速度旋转压砧以扭转合金圆盘，使之发生扭曲形变， 一共旋转8圈； (6) 启动多功能乳机系统，设定上下乳辊的速比，速比为1.5 ;设定每次乳制形变量为 3%;设定低速辊的速度为2米/秒； (7) 启动主传动电机，开始乳制过程； (8) 待一次乳制过后，重复(6) (7)过程20次； (9) 在170摄氏度进行重结晶退火热处理，时间20分钟。
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