一种高强度的镁铝合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强度的镁铝合金及其制备方法的制备方法，尤其是一种碳化硅 增强的高性能镁铝合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁铝合金是一种轻金属材料，具备密度小的优点，目前已经在手持电子设备、汽 车、航空航天等领域中应用。同时，镁合金的强度不高，作为工程材料，人们通常期望高强度 的材料，但是，由于镁铝合金的原子结构特点，其塑性差，尚不能得到高强度的镁铝合金。
[0003] 中国专利CN 103031452 A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、氧化铝粉4-8份、钾长石粉3-7份、硅化钛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。
[0006] 以上发明都致力于提高镁铝合金的性能特别是强度性能，不过，其抗拉强度都在 400MPa以下，其强度与目前常用的工程材料(钢铁、钛合金、碳纤维、铝合金等)还有较大的 差距。
[0007]
【发明内容】
： 发明目的：为了拓展镁铝合金的应用领域，提高其强度，发挥其低密度的有点，本发明 提供了一种高强度镁铝合金及其制备方法。
[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：铝质量分数为10- 20%;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铝合金中掺入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 强的高强镁铝合金。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，镁铝合金的抗拉强度在400MPa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、铝、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、铝、锆、钕、钇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。
[0010]其中，步骤⑴中的保护气体为C02与SF6的混合气体，步骤(3)中，7令却速度小于每 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。
[0011] 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(5)中的旋转速度每分钟2~5转，一共旋转3-20圈； 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： 本发明采用高强度的纳米碳化硅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。
[0013] 本发明采用以镁为基体，可以充分发挥其低密度的优点，以使该合金适应于航空 航天、汽车轻量化等领域的应用。在合金化的过程中，尽量采用低密度的金属铝。为了提高 其强度，采用了稀土元素锆、钕、钇，以在合金中形成稀土相增强。
[0014] 本发明采用高温金属液体状态下进行超声分散，这种方式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、铝的金属蒸汽不断地被抽出，降低合金中镁、铝的含量，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 ]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铝合金， 其抗拉强度可以高达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。
[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、铝、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、铝、锆、钕、钇、碳化硅按照66.5%、18%、2.5%、1.5%、1.5%、8%的质量 比例配料，在C0 2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0.3k;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3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；