一种稀土增强的镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强高塑镁合金及其制备方法，尤其是一种稀土增强的高性能镁 锌合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金目前已经在手持电子设备、汽车、航空航天等领域中应用。镁是一种密度非 常小的的金属材料，作为工程材料，人们通常期望高强度的材料，但是，目前传统的加工手 段不能得到高强度的镁合金。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 中国专利104213008A公开了一种新型高强度镁合金及其制备方法。其组成重量百 分比为:钨钛合金为5%~35%，镁铝合金为65%~95%。钨钛合金的加入，改善了镁铝合金的固溶 和时效行为，改善其组织和性能。其抗拉强度和屈服强度分别为(486~378)MPa和(400~320) MPa，相比镁铝合金的320MPa和269MPa，分别提高了 52%~18%和48%~18%。
[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，然而，当前技术制备的镁 合金的屈服强度都在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，发挥其低密度的优点，本发明提供了一种稀土 增强的高强度镁合金及其制备方法。
[0009] 本发明的技术方案如下： 将镁、锌、铌在真空中熔炼，在熔炼的过程中掺入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，可以制备一种高强镁锌合金。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，镁锌合金的屈服强度在 500MPa以上，延伸率38%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、铌，以及平均粒径为200纳米以下的纳米 SiC； (2) 熔炼合金：将镁、锌、铌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，高纯镁与锌的原子比例为3~6:1。
[0014] 作为优选，加入的银的质量百分含量为1~5%。
[0015] 作为优选，步骤(2冲所加入的SiC颗粒的质量分数为1.5~5%。
[0016] 作为优选，所采用的碳化娃的颗粒度平均为60-120纳米。
[0017] 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。
[0018] 本发明还采用了稀土元素铌作为增强元素。铌在镁合金中形成了稀土析出相，可 以进一步起到钉扎位错、细化晶粒的作用，从而增强合金的强度。
[0019] 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。在本发明中，虽然加入的镁锌比例为3~6:1，但是 最终得到的合金中，镁锌的原子比例在3:1至1.5:1之间。
[0020 ]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锌合金， 其屈服强度可以高达500MPa以上，同时具备优良的塑性，延伸率高达38%以上，可以应用于 汽车、航天航空等领域。
[0021 ]【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。
[0022] 实施例1 (1) 准备原料:准备99.9%以上的高纯镁、锌、铌，以及平均粒径为150纳米的SiC; (2) 熔炼合金：将高纯镁与锌按照3:1的原子比例配料，再加入占合金质量分数3%的 铌，在C02与SF6的混合气体中熔炼，其中C0 2与SF6体积比是50:1;恪炼过程中加入占合金质 量分数3%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0.2k;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