一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热镁合金及其制备方法

1.本发明涉及一种含lpso相的新型稀土镁合金的制备方法，属于导热功能材料、结构功能材料领域。


背景技术：

2.镁是目前应用前景广阔的轻结构材料，其密度仅为铝的二分之三，铜的五分之一。由于镁合金兼具高比强度、高热导率及易于机械加工和回收利用等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、3c(计算机、通讯以及消费类等电子产品)等领域中。然而纯镁强度非常低，抗拉强度仅有98mpa，即使采用常规的制造加工手段也很难达到使用要求。通过合金化形成强化相，并结合相应的塑性变形工艺和热处理，可以大幅度的提高合金的力学性能。向镁基体中适量添加zn、re、ca、mn等元素可显著细化晶粒，提升合金的强韧性。mg
‑
re
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zn系合金含长周期堆垛有序(lpso)相，该相具有较高的硬度和弹性模量，能在热变形时促进动态再结晶，提高合金强度和塑性。中国专利cn104372225a开发了具有lpso结构的铸态mg
‑
gd
‑
zn(
‑
zr)合金的制备方法，大幅提升镁合金力学性能。但是合金元素固溶于镁中，会造成镁的晶格畸变，使自由电子定向流动过程中产生波散射，从而降低合金热导率，因此在选择合金化元素应考虑固溶度较低的元素。中国专利cn109536802a提出，通过控制一定的y/zn含量比并利用mo和b微合金化对合金中原子扩散的牵制作用和在晶界处的偏聚作用，促使更多的细小lpso结构相的形成。但该方法添加的稀土元素含量仍然较高，会破坏合金的导热性，因此有必要通过微合金化处理开发一种高导热高比强度的镁合金。
3.塑性变形处理工艺可以使晶粒细化，引入晶体“缺陷”(位错和晶界)来对合金的力学性能实现强化。但是，变形处理对导热性能的影响比较复杂，再结晶导致晶界增多，位错密度增大，而这些“缺陷”对电子和声子运动传热却是不利的，但是变形处理后，合金的空位密度明显降低，同时也存在挤压析出，因此从这个角度看，又会改善导热性能。一些合金化元素在镁中的固溶度随温度降低而显著下降，在低温时以单质或析出相的形式弥散析出，既可以起到析出强化的作用，同时提升镁合金的导热性和导电性，也就是时效强化型镁合金。mg
‑
y
‑
zn系合金含长周期堆垛有序(lpso)相，促进lpso相析出，可以协同强化合金的强度和导热性能。因此通过变形处理及高温固溶+时效退火热处理(t6热处理)，使固溶元素析出形成强化相，镁基体合金溶质元素降低，在尽量保证高强度的同时提升导热性能。因此，开发一种适合高导热高比强度镁合金的加工工艺制度具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明涉及一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
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zn
‑
y
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mn
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ca系镁合金，并提供了相应的制备方法，其工艺参数如下：
5.一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
‑
zn
‑
y
‑
mn
‑
ca镁合金，其特征在于各合金主要成分按照如下质量百分比(wt.％)组成：zn：0.5～6.5wt.％，y：0.05～5wt.％，mn：0.25～1.2wt.％，ca：0.25～2.0wt.％,余量为mg和其他不可避免的杂质元素，铸态组织组
成为α
‑
mg+ca2mg6zn3+α
‑
mn+w相(mg3y2zn3)+mg
12
yzn(14h
‑
lpso)相。其中zn特征含量为4.5～6.5wt％，y特征含量0.5～3.0wt％，mn特征含量为1.0～1.2wt％，ca特征含量为0.25～1.0wt％。
6.一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
‑
zn
‑
y
‑
mn
‑
ca镁合金的制备方法：
7.(1)合金原料准备：所用原料为纯度为99.99％的mg锭、99.99％的zn锭、mg
‑
y中间合金、mg
‑
mn中间合金、mg
‑
ca中间合金。按照质量百分比为100wt.％进行原料准备，其中zn：0.5～6.5wt.％，y：0.05～5wt.％，mn：0.25～1.2wt.％，ca：0.25～2.0wt.％，余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
8.(2)合金冶炼与铸造：首先将原料及坩埚在350℃下预热，之后在sf6+n2的混合气体保护下，将mg锭、zn锭放入坩埚加热均匀加热至650～720℃熔化，待全部熔化，将温度升至750℃，将中间合金放入坩埚中，熔化后机械搅拌2～5分钟，使其成分均匀，浇铸以重力铸造的方式浇铸，并在冷却时使用保护气罩防止氧化，最终制得镁合金铸锭。
9.(3)铸锭均匀化退火热处理：采用均匀化退火热处理消除合金偏析残余应力、可能存在的孪晶等，处理温度为350℃～420℃，处理时间为0.5～12h，随炉冷却至室温。
10.(4)合金塑性变形处理：将均匀化退火样品进行塑性变形，采用热轧工艺制备镁合金板材。合金轧制采用双辊单向轧制，轧辊半径φ＝110mm，转速为1.64m/min。轧前将合金放入电阻炉中加热至370℃～420℃保温30min，轧制道次为2～11道次，单道次压下量为5％～12％，每道次轧完回炉保温5～10min。
11.(5)t6热处理：采用固溶热处理+时效热处理的方式对镁合金板材进行热处理，其中固溶热处理制度：处理温度为350℃～420℃，处理时间为0.5～12h；时效热处理制度：处理温度为180～240℃，处理时间为2～120h。
12.本发明的技术优势在于：
13.本发明制备了一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
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zn
‑
y
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mn
‑
ca镁合金,微量的低成本合金化元素可以起到显著的细化晶粒的作用，在合金内形成含稀土的长周期堆垛有序(14h
‑
lpso)相，并通过形成ca2mg6zn3及纳米级别的α
‑
mn析出相，综合提升合金的力学性能和导热性能。经均匀化退火、热变形加工工艺、t6热处理工艺可以显著提升合金的综合性能，该工艺流程涉及的热处理炉、双辊热轧机均为常规设备，易于实现工业化生产。
具体实施方式
14.实施例1：
15.一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
‑
zn
‑
y
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mn
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ca镁合金，其特征在于各合金主要成分按照如下质量百分比(wt.％)组成：zn：3.0wt.％，y：0.5wt.％，mn：0.6wt.％，ca：0.5wt.％,余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
16.(1)合金原料准备：所用原料为纯度为99.99％的mg锭、99.99％的zn锭、mg
‑
y中间合金、mg
‑
mn中间合金、mg
‑
ca中间合金。按照质量百分比为100wt.％进行原料准备，其中zn：3.0wt.％，y：0.5wt.％，mn：0.6wt.％，ca：0.5wt.％，余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
17.(2)合金冶炼与铸造：首先将原料及坩埚在350℃下预热，之后在sf6+n2的混合气体保护下，将mg锭、zn锭放入坩埚加热均匀加热至650～720℃熔化，待全部熔化，将温度升至750℃，将中间合金放入坩埚中，熔化后机械搅拌2～5分钟，使其成分均匀，浇铸以重力铸造
的方式浇铸，并在冷却时使用保护气罩防止氧化，最终制得镁合金铸锭。
18.(3)铸锭均匀化退火热处理：采用均匀化退火热处理消除合金偏析残余应力、可能存在的孪晶等，处理温度为370℃，处理时间为6h，随炉冷却至室温。
19.(4)合金塑性变形处理：将均匀化退火样品进行塑性变形，采用热轧工艺制备镁合金板材。合金轧制采用双辊单向轧制，轧辊半径φ＝110mm，转速为1.64m/min。轧前将合金放入电阻炉中加热至370℃保温30min，轧制道次为11道次，单道次压下量为5％～12％，每道次轧完回炉保温5～10min。
20.(5)t6热处理：采用固溶热处理+时效热处理的方式对镁合金板材进行热处理，其中固溶热处理制度：处理温度为370℃，处理时间为6h；时效热处理制度：处理温度为200℃，处理时间为20h。
21.实施例2：
22.一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
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zn
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y
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mn
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ca镁合金，其特征在于各合金主要成分按照如下质量百分比(wt.％)组成：zn：5.0wt.％，y：1.0wt.％，mn：0.8wt.％，ca：0.5wt.％,余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
23.(1)合金原料准备：所用原料为纯度为99.99％的mg锭、99.99％的zn锭、mg
‑
y中间合金、mg
‑
mn中间合金、mg
‑
ca中间合金。按照质量百分比为100wt.％进行原料准备，其中zn：5.0wt.％，y：1.0wt.％，mn：0.8wt.％，ca：0.5wt.％，余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
24.(2)合金冶炼与铸造：首先将原料及坩埚在350℃下预热，之后在sf6+n2的混合气体保护下，将mg锭、zn锭放入坩埚加热均匀加热至650～720℃熔化，待全部熔化，将温度升至750℃，将中间合金放入坩埚中，熔化后机械搅拌2～5分钟，使其成分均匀，浇铸以重力铸造的方式浇铸，并在冷却时使用保护气罩防止氧化，最终制得镁合金铸锭。
25.(3)铸锭均匀化退火热处理：采用均匀化退火热处理消除合金偏析残余应力、可能存在的孪晶等，处理温度为390℃，处理时间为6h，随炉冷却至室温。
26.(4)合金塑性变形处理：将均匀化退火样品进行塑性变形，采用热轧工艺制备镁合金板材。合金轧制采用双辊单向轧制，轧辊半径φ＝110mm，转速为1.64m/min。轧前将合金放入电阻炉中加热至370℃保温30min，轧制道次为9道次，单道次压下量为5％～12％，每道次轧完回炉保温5～10min。
27.(5)t6热处理：采用固溶热处理+时效热处理的方式对镁合金板材进行热处理，其中固溶热处理制度：处理温度为390℃，处理时间为6h；时效热处理制度：处理温度为220℃，处理时间为22h。
28.实施例3：
29.一种含长周期堆垛有序相的稀土高导热mg
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zn
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y
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mn
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ca镁合金，其特征在于各合金主要成分按照如下质量百分比(wt.％)组成：zn：6.5wt.％，y：3.0wt.％，mn：1.0wt.％，ca：0.5wt.％,余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
30.(1)合金原料准备：所用原料为纯度为99.99％的mg锭、99.99％的zn锭、mg
‑
y中间合金、mg
‑
mn中间合金、mg
‑
ca中间合金。按照质量百分比为100wt.％进行原料准备，其中zn：6.5wt.％，y：3.0wt.％，mn：1.0wt.％，ca：0.5wt.％，余量为mg和其他不可避免的杂质元素。
31.(2)合金冶炼与铸造：首先将原料及坩埚在350℃下预热，之后在sf6+n2的混合气体保护下，将mg锭、zn锭放入坩埚加热均匀加热至650～720℃熔化，待全部熔化，将温度升至
750℃，将中间合金放入坩埚中，熔化后机械搅拌2～5分钟，使其成分均匀，浇铸以重力铸造的方式浇铸，并在冷却时使用保护气罩防止氧化，最终制得镁合金铸锭。
32.(3)铸锭均匀化退火热处理：采用均匀化退火热处理消除合金偏析残余应力、可能存在的孪晶等，处理温度为410℃，处理时间为6h，随炉冷却至室温。
33.(4)合金塑性变形处理：将均匀化退火样品进行塑性变形，采用热轧工艺制备镁合金板材。合金轧制采用双辊单向轧制，轧辊半径φ＝110mm，转速为1.64m/min。轧前将合金放入电阻炉中加热至410℃保温30min，轧制道次为8道次，单道次压下量为5％～12％，每道次轧完回炉保温5～10min。
34.(5)t6热处理：采用固溶热处理+时效热处理的方式对镁合金板材进行热处理，其中固溶热处理制度：处理温度为410℃，处理时间为6h；时效热处理制度：处理温度为240℃，处理时间为24h。
35.表格1mg
‑
zn
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y
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mn
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ca合金实例1～3性能
36.