一种高温强度优异的镁铜合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高温强度优异的镁铜合金及其制备方法的制备方法，尤其是一种 碳化硅增强的高性能镁铜合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金作为一种轻金属，很早就备受关注。然而，虽然其密度低，但是强度也不高。 因此，长期以来，镁合金较少用于关键的结构件。作为工程材料，人们通常期望高强度的材 料，随着航空航天等领域的不断发展，研制高强度的镁合金已经非常迫切。
[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105154704A公开了一种耐高温镁合金材料的制备方法。该材料由以下 重量份配比的粉料制成：镁粉63-71份、铁粉9-13份、碳化娃粉5-9份、硫化猛粉5-7份、错 刚玉粉6-10份、石墨粉13-17份、电熔陶粒砂5-10份、玻璃纤维3-6份、锡粉10-14份、硫 化铜4-8份、钴粉4-8份、氧化铜粉4-8份、钾长石粉3-7份、娃化钛4-9份。其制备方法包 括：混合、压制、烧结、整形和浸油处理。通过对材料成分的调整和优化，本发明提供耐高温 镁合金材料具有较好强、硬度，和高温热稳定性的优点；且原料易得、加工成本低，制备工艺 简单、参数易控，生产过程安全环保，适合大规模的工业化生产。
[0005]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 组分中包含铜（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：铜（Al) :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。
[0006] 以上发明都致力于提高镁铜合金的性能特别是强度性能，不过，对于航空航天一 些领域，镁合金的高温性能非常重要，然而，目前大多数镁合金(例如MgSc6Mn、MgGd9Y4ZrQ.6 等合金）在400摄氏度时的屈服强度都在lOOMPa以下，其强度与目前常用的工程材料还有 较大的差距。
[0007]
【发明内容】
： 发明目的：为了拓展镁合金的应用领域，提高其强度，发挥其低密度的有点，本发明提 供了一种高温强度优异的镁铜合金及其制备方法。
[0008] 本发明的技术方案如下： 采用真空熔炼的方法，按一定质量配比熔炼镁合金，合金成分为：铜质量分数为2-5% ; 锆重量百分比含量为1-5% ;钕质量分数为1-3% ;钇重量百分比含量为1-3% ;纳米碳化硅的 质量分数为10-25% ;余量为镁。在熔炼的过程中向镁铜合金中掺入SiC纳米颗粒，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，再 采用异步乳制，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 强的高强镁铜合金。其显微组织中的平均晶粒直径在80纳米以下，纳米颗粒的直径在200 纳米以下，合金的在400摄氏度时的屈服强度可达130MPa以上。
[0009]具体制备方法包括以下步骤： (1) 准备原料：准备纯度99. 9%以上的高纯镁、铜、锆、钕、钇，以及平均粒径为200纳米 以下的纳米SiC; (2) 熔炼合金：将镁、铜、锆、钕、钇、SiC按一定质量分数配料，在保护气氛中熔炼，熔 炼过程中加入纳米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，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； (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。
[0010]其中，步骤（1)中的保护气体为〇)2与SF6的混合气体，步骤（3)中，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;旋转速度每分钟2~5转，一共旋转 3-20圈；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。
[0011]作为优选，〇)2与SF6的体积比的范围是50:1~100:1 ; 作为优选，所采用的碳化硅的颗粒度平均为60-120纳米。
[0012] 有益的效果： 本发明采用以镁为基体，可以充分发挥其低密度的优点，使得该合金的密度低，应于航 空航天、汽车轻量化等领域的应用。在合金化的过程中，尽量采用较少的合金化元素，也可 以保持其低密度的优点；为了提高其强度，采用了稀土元素锆、钕、钇，以在镁铜合金中形成 稀土相增强。
[0013]本发明还采用了高强度的纳米碳化硅颗粒作为增强相，纳米碳化硅不仅可以起到 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。
[0014]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。
[0015]本发明采用高压扭转来细化晶粒，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，本发明还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大小不均匀的晶粒， 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 80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铜合金，400摄氏度时的屈服强度可达130MPa以上， 可以应用于汽车、航天航空等领域。
[0016]
【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。
[0017] 实施例1 (1) 准备原料：准备纯度99. 9%以上的高纯镁、铜、锆、钕、钇，以及平均粒径为200纳米 以下的纳米SiC; (2) 熔炼合金：将镁、铜、锆、钕、钇、碳化硅按照86. 3%、1. 5%、2%、0. 8%、1. 4%、8%的质量 比例配料，在〇)2与SF6的混合气体中熔炼，其中C0 2与SF6体积比是100:1 ;熔炼过程中加 入纳米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. 2k;在冷却的过程中保持抽真空状态，真 空度低于4torr; (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2GPa高压，并以每分钟2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20圈； (6) 启动多功能乳机系统，设定上下乳辊的速比，速比为1. 1 ;设定每次乳制形变量为 8% ;设定低速辊的速度为0. 5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25次； (9) 在200摄氏度进行重结晶退火热处理，时间8分钟。
[0018]进行合金化学成分分析，结果为：铜质量分数为2. 8%;锆重量百分比含量为3. 5%;钕质量分数为1. 6%;钇重量百分比含量为2. 5%;纳米碳化硅的质量分数为15%;余量为镁。
[0019] 实施例2 (1) 准备原料：准备纯度99. 9%以上的高纯镁、铜、锆、钕、钇，以及平均粒径为200纳米 以下的纳米SiC; (2) 熔炼合金：将镁、铜、锆、钕、钇、碳化硅按照85. 3%、3%、2%、1. 5%、1. 2%、7%的质量比 例配料，