一种提高含锆镁基合金铸锭均匀性的制备方法与流程

本发明涉及镁基合金制备技术领域，具体涉及到一种提高含高密度难熔元素锆的镁基合金元素偏聚和组织均匀性的制备方法。

背景技术：

镁合金以其低密度、高比强度、高延展性以及优异的减震能力等优势，在航天、航空、兵器工业、核工业等领域应用潜力巨大。但是，镁合金绝对强度低的特点极大的限制了它的广泛应用。目前，向镁合金中添加其他合金元素，如硅、银、稀土、锆等，仍然是一种重要的提高强度的方法。在这些合金元素中，锆元素拥有最高的生长限制因子，少量的锆就能快速地减小晶粒尺寸，大幅度提高镁基合金的力学性能。

但由于锆的熔点高和密度大，因此镁基合金中的锆均是以mg-zr中间合金的形式加入的。目前常用的mg-zr中间合金制备工艺，由于制备过程中熔炼炉加热时间长，温度很高，吸气严重，且浇注过程冷却强度小，铸锭组织会形成疏松缩孔、大量的大尺寸的zr颗粒分布及zr颗粒团聚等组织缺陷。这种具有缺陷的镁锆中间合金直接加入到镁基合金中，大部分的未熔锆粒子依然以中间合金中的存在形式在熔体中分布，由于其与基体之间的密度差异大，非常容易造成镁锆中间合金溶解不充分，大量的zr颗粒粒子沉降到熔体下部，形成zr颗粒偏析聚集区，从而导致镁基合金铸锭出现成分组织不均匀的现象。并且这种自发沉降导致需要向基体中加入3～4倍的锆才能满足实际需求，造成成本增加、铸锭质量不稳定等缺点。

申请号cn105385863a，公布了一种超声处理制备镁锆中间合金的方法，方法具体是：首先将工业镁置于坩埚底部，将氯化钠、氯化钾、锆氟酸钾均匀混合后覆盖在工业纯镁的上部；熔化坩埚内的盐和工业镁后，进行机械搅拌或人工自由搅拌，形成熔体；对熔体进行超声处理；将经超声处理后的熔体浇注铸锭，冷却直至铸锭完全凝固，得到镁锆中间合金。这方法在一定程度上可以减小镁锆合金中锆的尺寸，增强细化效果。但是由于熔体浇铸的过程中仍然会发生锆颗粒的沉降现象，而且这个过程是非常迅速的，因此这种中间合金加入镁基合金熔体，仍然会发生大量的锆团聚及偏析现象导致铸锭出现元素偏聚、组织不均。另外，由于锆的硬度很高，该方法对于尺寸的控制有限，只能控制到5μm左右，无法进一步减小锆的尺寸，根据相关研究表明该尺寸仍然有严重的锆颗粒沉降现象。而且这种方法相对于本发明改良成本更高，过程繁琐，控制难度大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单、效果显著、低成本的用以改善锆颗粒沉降问题，提高含锆镁基合金铸锭均匀性的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：通过压机破碎、球磨、振筛、砂磨、复合球磨、冷压成预制体等步骤，获得平均粒径20μm～70μm的颗粒状镁锆中间合金，使用搅拌铸造法制备含锆0.5～0.7wt％的镁基合金铸锭，流程如图1所示。

本发明具有以下优点：1.与传统加入方式比，优选地，制备方法将zr元素偏析度从0.84降到了0.16，晶粒组织更均匀，富锆区与贫锆区的力学性能差异由35.8％下降到10.3％，未熔zr颗粒大幅度减少，获得高质量的镁合金铸锭。2.和超声波制备镁锆中间合金相比，将镁锆中间合金进行颗粒化加工的方法可以改善zr在中间合金中的团聚问题并进一步减小锆颗粒的平均尺寸至1μm及以下，流程更简单、成本更低、效果更好。

附图说明

图1是本发明提供的一种含锆镁基合金制备流程图。

图2是本发明制备过程中镁锆颗粒与镁粉复合后的颗粒sem图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

步骤1：首先确定原料即mg-zr合金的硬度、塑韧性水平及可燃性能，以选择准确的后续破碎工艺参数。本例中mg-30wt％zr的洛氏硬度为45，冲击韧性较好，小块合金可以燃烧。以此用压机进行逐级破碎，时间确定为5s，高速速度为300mm/min，低速速度为200mm/min，压力由20mpa逐渐减小到10mpa。

步骤2：将步骤1得到的料通过20目的筛网，将过20目的料装入球磨罐中，向每罐内加入2ml的酒精，然后用氩气置换三次，进行抽真空，真空度为0.08mpa，球磨3小时，参数设置为：自转速度350r/min，公转速度1.5min/r。然后将球磨后的颗粒使用振动筛过300目的筛网，振动15～20分钟。

步骤3：将过300目的粉放入酒精溶剂中，进行砂磨，控制砂磨温度在12℃左右，控制压力不能超过20mpa，砂磨进行1个小时。砂磨完后，由于mg-zr和酒精不相溶，可以用针管将表面的酒精先吸掉一部分，从而提高烘干效率。最后放入真空干燥箱中进行烘干，烘干时长在1天左右，将烘干后的粉末静置30分钟。

步骤4：将砂磨过后的粉进行复合球磨，复合球磨加入mg粉的比例为mg-zr：mg＝2：1，球磨时间为6小时，然后进行压块得到预制体，镁锆颗粒大小保持在20μm，其形貌如图2所示，中间合金中的锆颗粒平均尺寸下降到1μm以下，且分布均匀。

步骤5：在熔炼过程中，通入氩气，将镁锭在680℃熔化，然后加入锂锭，以及用锌箔包裹的预制体块，经过300r/min，20min的搅拌，得到0.5wt％zr含量的mg-14li-zn合金铸锭。

步骤6：得到140mm的铸锭，分别从上部、中部和下部取厚度为10mm的圆柱形薄片，然后在距薄片圆心相同距离的位置取样。各项测试结果表明，与传统加入方式相比，zr元素偏析度从0.84降到了0.16，晶粒组织更均匀，富锆区与贫锆区的力学性能差异由35.8％下降到10.3％，未熔zr颗粒大幅度减少且无团聚现象。

实施例2

步骤1：首先确定原料即mg-zr合金的硬度、塑韧性水平及可燃性能，以选择准确的后续破碎工艺参数。本例中mg-30wt％zr的洛氏硬度为45，冲击韧性较好，小块合金可以燃烧。以此用压机进行逐级破碎，时间确定为5s，高速速度为300mm/min，低速速度为200mm/min，压力由20mpa逐渐减小到10mpa。

步骤2：将步骤1得到的料通过20目的筛网，将过20目的料装入球磨罐中，向每罐内加入2ml的酒精，然后用氩气置换三次，进行抽真空，真空度为0.08mpa，球磨两小时，参数设置为：自转速度350r/min，公转速度1.5min/r。然后将球磨后的颗粒使用振动筛过300目的筛网，振动15～20分钟。

步骤3：将球磨过后的粉进行复合球磨，复合球磨加入mg粉的比例为mg-zr：mg＝1：1，球磨时间为3小时，然后进行压块得到预制体，镁锆颗粒大小保持在40μm。

步骤4：在熔炼过程中，通入氩气，将镁锭在680℃熔化，然后加入铝锭，以及用锌箔包裹的预制体块，经过300r/min，10min的搅拌，得到0.5％wtzr含量的mg-9al-zn合金铸锭。

步骤5：得到120mm的铸锭，分别从上部、中部和下部取厚度为10mm的圆柱形薄片，然后在距薄片圆心相同距离的位置取样。各项测试结果表明，与传统加入方式相比，zr元素偏析度从0.84降到了0.25，组织一定程度上改善，富锆区与贫锆区的力学性能差异由35.8％下降到15.1％，未熔zr颗粒数量一定程度上减少。

实施例3

步骤1：首先确定原料即mg-zr合金的硬度、塑韧性水平及可燃性能，以选择准确的后续破碎工艺参数。本例中mg-30wt％zr的洛氏硬度为45，冲击韧性较好，小块合金可以燃烧。以此用压机进行逐级破碎，时间确定为5s，高速速度为300mm/min，低速速度为200mm/min，压力由20mpa逐渐减小到10mpa。

步骤2：将步骤1得到的料通过20目的筛网，将过20目的料装入球磨罐中，向每罐内加入2ml的酒精，然后用氩气置换三次，进行抽真空，真空度为0.08mpa，球磨两小时，参数设置为：自转速度350r/min，公转速度1.5min/r。然后将球磨后的颗粒使用振动筛过200目的筛网，振动15～20分钟。

步骤3：将砂磨过后的粉进行复合球磨，复合球磨加入mg粉的比例为mg-zr：mg＝1：1，球磨时间为3小时，然后进行压块得到预制体，镁锆颗粒大小保持在68μm。

步骤4：在熔炼过程中，通入氩气，将镁锭在680℃熔化，然后加入铝锭，以及用锌箔包裹的预制体块，经过200r/min，5min的搅拌，得到0.7wt％zr含量的mg-9al-zn合金铸锭。

步骤5：得到100mm的铸锭，分别从上部、中部和下部取厚度为10mm的圆柱形薄片，然后在距薄片圆心相同距离的位置取样。各项测试结果表明，与传统加入方式相比，zr元素偏析度从0.84降到了0.50，晶粒组织有一定程度不均匀，富锆区与贫锆区的力学性能差异由35.8％下降到28.1％，有一定数量的未熔zr颗粒。