一种具有长周期相的高强度镁合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有长周期相的高强度镁合金及其制备方法 (High-strength magnesium alloy with long-period phase and preparation method thereof ) 是由 陈先华 王风雪 金钟铉 薛恒 潘复生 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有长周期相的高强度镁合金及其制备方法。所述镁合金按原子百分比计,包括如下成分：Y：1.70%～2.00%,Gd：0～2.00%,Cu：0～2.00%,Zn：0～1.05%,Ni：0～2.00%,其余为Mg和不可避免的杂质；其中,所述(Y+Gd)与(Cu+Zn+Ni)的原子百分比为(1～2):1。所述制备方法包括如下步骤：S1、将原材料按照配比冶炼铸造得到镁合金铸锭；其中,所述原材料为工业纯镁锭、纯锌粒、Mg-Cu中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；S2、将镁合金铸锭和挤压模具在350～400℃预热2h～3h,挤压温度为430～450℃,挤压比为(12～25):1,挤压速率为15mm/s～20mm/s,空冷获得直径为16～25mm的镁合金棒材。本发明提供的镁合金具有优良力学性能并且成本低。(The invention discloses a high-strength magnesium alloy with a long period phase and a preparation method thereof. The magnesium alloy comprises the following components in atomic percentage: y: 1.70% -2.00%, Gd: 0-2.00%, Cu: 0-2.00%, Zn: 0-1.05%, Ni: 0-2.00%, and the balance of Mg and inevitable impurities; wherein the atomic percentage of (Y + Gd) to (Cu + Zn + Ni) is (1-2) to 1. The preparation method comprises the following steps: s1, smelting and casting the raw materials according to the proportion to obtain magnesium alloy ingots; wherein the raw materials are industrial pure magnesium ingots, pure zinc particles, Mg-Cu intermediate alloy, Mg-Gd intermediate alloy, Mg-Y intermediate alloy and Mg-Ni intermediate alloy; s2, preheating the magnesium alloy ingot and the extrusion die at 350-400 ℃ for 2-3 h, wherein the extrusion temperature is 430-450 ℃, the extrusion ratio is (12-25): 1, the extrusion speed is 15-20 mm/S, and air cooling is performed to obtain the magnesium alloy rod with the diameter of 16-25 mm. The magnesium alloy provided by the invention has excellent mechanical properties and low cost.)
技术领域
本发明涉及镁合金领域，具体涉及一种具有长周期相的高强度镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金由于密度低、比强度和比刚度高、导电导热性好，可回收利用，具有优良的阻尼减震和电磁屏蔽等诸多优点，被广泛应用于航空航天、汽车、家用电器等领域，具有巨大的研究价值和应用前景。然而，镁合金力学性能室温塑性差、绝对强度低，制约了镁合金的应用。潜力与应用之间的巨大差距促使高强镁合金进一步发展。
近年来，以长周期堆垛结构（LPSO相）作为增强相的Mg-RE-TM（RE：稀土元素Gd、Y；TM：过渡金属元素Cu、Zn、Ni）系镁合金因优异的力学性能受到越来越多的关注，其中LPSO相种类、形貌、体积分数和分布等因素显著影响合金力学性能。通过合金化，改变合金元素调控LPSO相，可进一步提高镁合金的强度，拓展镁合金的应用价值。
工业镁合金有铸造镁合金和变形镁合金。变形镁合金晶粒尺寸较小，性能明显优于铸造镁合金，这是由于在挤压、轧制、锻造等工艺后组织得到细化，消除了铸件中的缺陷，从而使得变形产品综合力学性能明显提升。变形合金的组织和结构可以通过热处理和塑性变形来调控。因此，研究高性能变形镁合金更能满足商业镁合金市场需求。
因此，如何通过设计获得具有长周期相的高强度镁合金，在显著提高镁合金综合力学性能的同时降低镁合金成本，对我国镁合金大规模的生产工业化应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有镁合金综合力学性能不强且成本较高的问题，提供一种具有长周期相的高强度镁合金及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种具有长周期相的高强度镁合金，按原子百分比计，包括如下成分：Y：1.70%~2.00%，Gd：0~2.00%，Cu：0~1.00%，Zn：0~1.05%，Ni：0~2.00%，其余为Mg和不可避免的杂质；其中，所述(Y+Gd)与(Cu+Zn+Ni)的原子百分比为(1~2):1。
作为优选，所述(Y+Gd)与(Cu+Zn+Ni)的原子百分比为1:1。
本发明还提供一种具有长周期相的高强度镁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、将原材料按照如权利要求1或2所述的配比冶炼铸造得到镁合金铸锭；其中，所述原材料为工业纯镁锭、纯锌粒、Mg-Cu中间合金、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；
S2、将镁合金铸锭和挤压模具在350~400℃预热2h~3h，挤压温度为430~450℃，挤压比为(12~25):1，挤压速率为15mm/s~20mm/s，空冷获得直径为16~25mm的镁合金棒材。
进一步，在步骤S1中，所述冶炼铸造为：
S11、熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护，在井式电阻炉中将工业纯镁锭放入不锈钢坩埚，设置电阻炉温度720~740℃加热；当纯镁完全熔化后，电阻炉重新升温并且保持温度不变时，将电阻炉断电；
S12、加入预加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为720~740℃；当中间合金完全融化且温度升高至720~740℃时，保温20~30min，使其完全熔化；
S13、将电阻炉断电，在CO2+SF6保护下搅拌5~10mi后进行除渣；所有工作完成后将电阻炉重新通电5~10min，静置后空冷，制得所述镁合金铸锭。
进一步，在步骤S2之前对镁合金铸锭进行固溶热处理，具体为在制备的镁合金铸锭外包覆石墨，在490~510℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为23~25h，水冷至室温，得到固溶热处理后的镁合金铸锭。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的镁合金中，稀土元素Y和Gd在镁中具有较高的溶解度和很好的时效强化效果，能够在铸造过程中降低孔隙和氧化物的产生；过渡金属元素Cu可以细化晶粒，Ni可以促进LPSO相的形成和提高LPSO相的热稳定性。通过优化合金元素的原子百分比，能够形成长周期相，并且通过第二相强化提高镁合金的强度。特别是当TM（过渡金属元素）和RE（稀土元素）的原子百分比为(1~2):1时，能够形成较多的Mg12(RE)(TM)长周期相，从而提高镁合金的综合力学性能。并且，本发明提供的镁合金中合金元素的成分添加较少，因此能够从源头上控制镁合金的成本，获得具有优良力学性能并且成本低的高强度镁合金。
2、本发明提供的镁合金的制备方法，采用传统的铸造和热挤压工艺，工艺简单，成本低廉。热挤压棒材屈服强度最高达到429MPa，抗拉强度达到537MPa，具有优良的综合力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铸态Mg-2Y-2Ni镁合金的背散射扫描照片。
图2为本发明实施例1制备的挤压态Mg-2Y-2Ni镁合金的背散射扫描照片。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-2Y-2Ni，其制备方法如下：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。该镁合金铸锭的背散射扫描照片如图1所示。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用。将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。该镁合金挤压后的背散射扫描照片如图2所示。
从图1可以看出，在此成分配比下镁合金含有较多的长周期相，长周期相具有高强度和稳定性，有效阻碍位错滑移、强化镁基体，有效提高合金强度。从图2看出，热挤压后长周期相破碎沿挤压方向成带状分布，在一定长度下起到短纤维增强效果。热挤压过程中长周期相为动态再结晶提供形核位点，同时沿挤压方向分布的带状形貌有效阻碍了再结晶晶粒长大，因此得到相当细小的再结晶晶粒。
实施例2
本实施例中镁合金的成分与实施例1相同，为Mg-2Y-2Ni。不同之处在于在热挤压前进行了固溶热处理，其制备方法具体为：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例3
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-1Y-1Gd-2Ni。其制备方法如下：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度720℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为720℃。当中间合金完全融化且温度升高至720℃时保温20min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用。将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例4
本实施例中镁合金的成分与实施例3相同，为Mg-1Y-1Gd-2Ni。其制备方法具体为：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度720℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为720℃。当中间合金完全融化且温度升高至720℃时保温20min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h~3h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例5
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-2Gd-2Ni。其制备方法如下：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Gd中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用。将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例6
本实施例中镁合金的成分与实施例5相同，为Mg-2Gd-2Ni。其制备方法具体为：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Gd中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h~3h，挤压温度为430℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例7
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-2Y-1Zn-0.5Cu-0.5Ni。其制备方法如下：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、纯锌粒、Mg-Cu中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为450℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例8
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-2Y-1Cu-1Ni。其制备方法具体为：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Cu中间合金、Mg-Y中间合金和Mg-Ni中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温20min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌5min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电5min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为450℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
实施例9
一种具有长周期相的高强度镁合金Mg-2Y-2Cu。其制备方法具体为：
S1、将原材料按照配比称量好，冶炼铸造得到镁合金铸锭。其中，原材料为工业纯镁锭、Mg-Cu中间合金、Mg-Y中间合金；熔炼采用CO2+SF6（100:1）混合气体保护。待熔炼时先将称量好的纯镁放入坩埚，设置电阻炉温度740℃加热。当纯镁完全熔化电阻炉重新升温并且保持不变时，将电阻炉断电，加入预先加热的中间合金，重新将电阻炉通电，设置温度为740℃。当中间合金完全融化且温度升高至740℃时保温30min，使其完全熔化。然后将电阻炉断电，在惰性气体保护下搅拌10min，尽可能完全均匀混合后进行除渣。所有工作完成后将电阻炉重新通电10min，静置后采用空冷的方式制得镁合金铸锭。
采用干燥石墨覆盖镁合金铸锭，然后在500℃温度范围内进行固溶热处理，保温时间为24h，水冷至室温，完成固溶热处理。热处理后锭子车皮去掉表面氧化层。
S2、根据挤压需要切割至合适尺寸备用将镁合金铸锭和挤压模具在350℃预热2h，挤压温度为450℃，挤压比为12:1，挤压速率为15mm/s，空冷获得直径为25mm的镁合金棒材。
将实施例1-9制备的镁合金挤压棒材进行室温拉伸测试实验，得到力学性能结果见表1。
表1 含长周期相的高强度变形镁合金的室温力学性能
实施例
镁合金成分
屈服强度σ0.2/MPa
抗拉强度σb/MPa
延伸率δ/%
实施例1
Mg-2Y-2Ni
429
537
4.7
实施例2
Mg-2Y-2Ni
363
478
3.7
实施例3
Mg-1Y-1Gd-2Ni
402
489
7.7
实施例4
Mg-1Y-1Gd-2Ni
340
465
7.1
实施例5
Mg-2Gd-2Ni
350
467
13.5
实施例6
Mg-2Gd-2Ni
332
445
10.8
实施例7
Mg-2Y-1Zn-0.5Cu-0.5Ni
293
400
3.5
实施例8
Mg-2Y-1Cu-1Ni
281
426
7.2
实施例9
Mg-2Y-2Cu
305
446
5.3
由表1可以看出，实施例1-9中制备的含长周期相的高强镁合金均具有优异的力学性能。在实施例1中制备的Mg-2Y-2Ni，在具有适当的延伸率下，合金最大屈服强度为429MPa，最大抗拉强度为537MPa，能够满足大多数商业镁合金的要求。由此可见，本发明提供的镁合金具有优良力学性能，并且由于合金元素的成分添加较少，能够控制镁合金的成本，从而使得制备的高强度兼具成本低的优点。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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