一种高强轻金属及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强轻金属及其制备方法，尤其是一种碳化硅增强的高性能镁合 金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金是一种密度非常小的的金属材料，目前已经在手持电子设备、汽车、航空航 天等领域中应用。作为工程材料，人们通常期望高强度的材料，但是，由于镁合金的原子结 构特点，其塑性差，传统的加工手段不能得到高强度的镁合金，目前的镁合金的强度普遍较 低。
[0003] 中国专利103589920A公开了 一种镁铝合金及其制备方法。该合金的成分以及重量 百分为:钪1.2~2.5%、铈0.3%~0.8%，锰1.5%~2%、钼2.5%~5%，钨0· 12~1.2%，镁25%~ 35%，添加铝至100%。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明综上所述，通过 加入的钪、铈，锰、钼，钨，使得该镁铝合金具有低成本高耐用性的优点。
[0004] 中国专利102080174A公开了一种高镁铝合金板材的生产方法。该发明解决了现有 的高镁铝合金板材的制造方法的板材中晶粒粗大、材料的抗拉强度低、力学性能波动大、成 品率低的问题。本方法:该镁错合金板材中元素的质量百分比为Mg:8.3%~9.6%、Μη:0.4%~ 0.8%、11:0.05%~0.15%、51:<0.3%小6 :<0.3%、〇1:<0.05%、附：<0.10%、211 :<0.20%、余 量为Α1，该合金经熔炼、铸造、二次热乳、中间退火、冷乳、成品退火、矫直、锯切后得到高镁 铝合金板材。成品率48%~55%，强度390MPa~400MPa，可用于航天运载火箭结构件及军用导 弹弹头。
[0005]中国专利101880788A公开了一种镁铝合金的SiC颗粒碾磨增强方法，该发明以有 色轻金属镁铝合金为基体，以碳化硅颗粒为增强掺杂剂，通过熔炼、碾磨剪切、浇铸、热处 理，最终制成镁铝合金+碳化硅合金锭复合材料，镁铝合金+碳化硅合金锭的力学性能、抗拉 强度、屈服强度、弹性模量大幅度提高，抗拉强度可提高32%，屈服强度可提高40%，弹性模量 可提高70%，金相组织致密性好，颗粒分布均匀，增强相与基体间界面结合紧密，此增强方法 先进合理，工艺流程短，可进行工业化连续生产，是十分理想的制备增强型有色金属复合材 料的方法。
[0006] 中国专利101177752提出了一种含锌4.5%的镁-锌-稀土合金及其制备方法，特别 是涉及镁-锌-稀土系中以添加重稀土钇或钆和轻稀土镧或钕的镁基合金及其制备方法。该 发明提供的添加四种稀土的镁-锌-稀土合金分别为MG-4.5WT%ZN-(0.2WT%~2WT%)LA;MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT% ~2WT%)ND;MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT%~4 · 8WT%)⑶和MG-4 · 5WT%ZN-(0 · 2WT% ~2.8WT%)Y，可解决工业上可供选择的镁-锌-稀土系合金品种不多以及稀土资源选择利用 或替代利用性差的问题。不过，其屈服强度在200MPa以下。
[0007]以上发明都致力于提高镁合金的性能特别是强度性能，不过，其屈服强度都在300 ~400MPa以下，其强度与目前长用的工程材料还有较大的差距。
[0008]
【发明内容】
： 发明目的:为了拓展镁合金的应用领域，发挥其低密度的有点，本发明提供了一种高强 度镁合金及其制备方法。
[0009] 本发明的技术方案如下： 本发明的合金成分如下：锌重量百分比含量为3-20%;铝质量分数为3-8%;钕质量分数 为1-3%;纳米碳化硅的质量分数为15-25%;余量为镁。其中碳化硅的平均直径在200纳米以 下。在熔炼的过程中，向镁合金中掺入SiC纳米颗粒，分散均勾，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合金。其显微组织 中的平均晶粒直径在100纳米以下，纳米颗粒的直径在200纳米以下，镁合金的屈服强度在 400MPa以上。
[0010] 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、锌、铝、钕，以及平均粒径为200纳米以下的纳 米SiC; (2) 熔炼合金：将镁、锌、铝、钕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； (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;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。
[0012] 作为优选，C〇2与SF6的体积比的范围是50:1~100:1。
[0013]作为优选，所采用的碳化硅的颗粒度平均为60-120纳米。
[0014]由于在熔炼过程以及随后的冷却过程中，不同元素的损耗不同，因此，实际熔炼之 前加入的合金元素含量与目标合金的元素含量应不同。
[0015]有益的效果： 本发明采用高强度的纳米碳化硅的颗粒作为增强颗粒，碳化硅熔点高，是硬质质点，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。
[0016]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。本分明解决了纳米颗粒在金属中分散难 的问题。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。 此外，本发明还加入了少量的稀土元素钕，已形成稀土相，进一步增加合金的强度。
[0017 ]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，可以起到额外的强化作用。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100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400MPa以上，同时具备优良的塑性，可以应 用于汽车、航天航空等领域。
[0018]【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。
[0019] 实施例1 (1) 准备原料:准备99.9%以上的高纯镁、铝、锌、钕，以及平均粒径为110的纳米SiC; (2) 熔炼合金：将镁、铝、锌、钕、碳化硅按照77%、10%、2%、1%、10%的质量比例配料，在 C02与SF6的混合气体中熔炼，其中C02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