基于离心铸造的层状纳米异构高强韧镁合金板及制备方法与流程

本发明涉及金属材料加工，具体为一种基于离心铸造的层状纳米异构高强韧镁合金板及制备方法。

背景技术：

1、镁合金是工程应用领域中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、减振降噪性能好、铸造性能优异、尺寸稳定和易于回收等优点，在汽车工业、仪器仪表、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

2、相比铝合金、钛合金、高温合金等材料，镁合金存在强度偏低、塑性差、耐蚀性差、蠕变性能偏低等劣势，目前通过添加合金元素对镁合金材料进行强化。例如：钆、钇、钕等稀土元素添加到镁合金中形成稀土镁合金，该稀土镁合金在时效热处理后，材料内部会形成高密度的纳米析出相，析出相会强烈阻碍位错滑移运动，可以大幅提高镁合金的强度和蠕变性能。此外，稀土镁合金在进行高温变形的过程中，纳米析出相能有效阻碍晶界滑移和位错攀移，大幅降低稳态蠕变速率，因此稀土镁合金具有比az、am系列镁合金更优异的耐高温蠕变性能。

3、但是，该稀土镁合金的韧性会出现大幅度降低的现象，塑性变形能力不强，极大限制了稀土镁合金在实际生产中的应用范围。因此，如何制备出兼得高强度和高韧性的镁合金材料已经成为金属结构材料领域的一个研究热点。

4、异构金属材料，又称非均质金属材料，该材料具有内部不同界面区域之间具有巨大的强度差异的特点，这种强度上的不均匀性是由微观结构不同、晶体结构不同或者元素分布不均匀等因素引起。经研究发现，异构金属材料在变形过程中，界面处会形成大的应变梯度，异质变形诱导应力在强化金属材料的同时，会进一步提高金属材料的加工硬化能力，从而获得优异的韧性。

5、目前，大塑性变形技术是制备块体高强韧异构金属材料的有效途径，例如中国发明专利cn108796330a公开了一种超高强mg-gd-y-zr纳米异构镁合金制备方法，其利用旋锻变形技术处理挤压态的mg-gd-y-zr合金棒材，制备出晶粒尺寸为30nm～2μm的纳米异构镁合金材料，然后结合热处理工艺，使镁合金的屈服强度高达470mpa，断后伸长率为6％。

6、但是，其具有以下局限性：

7、1.纳米晶的热稳定性和塑性变形能力差，使制备出的纳米异构镁合金材料加工硬化能力和耐高温性能不强，均匀性及延伸率不高；

8、2.镁合金棒材制备过程较为繁琐，用于旋锻的挤压棒材需要多次打磨、加热、进料变形，高温旋锻下的技术要求很高，而且生产效率较低；

9、3.该方法仅适用于制备棒材，难以实现板状材料的加工制备。

10、鉴于此，需要对镁合金材料及其制备方法进行改进，以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决镁合金材料热稳定性差、塑性变形能力差、加工过程繁琐、效率低等问题，本发明公开了一种基于离心铸造的层状纳米异构高强韧镁合金板及制备方法,层状纳米异构高强韧镁合金板的设计思路是通过选用两种或两种以上具有不同再结晶温度和时效析出特性的镁合金作为原料，采用离心铸造和轧制变形方法制备出板状的异质结构镁合金材料，再结合时效热处理工艺控制不同纳米析出相的析出，最终制备出多尺度析出的层状纳米异构高强韧镁合金板材。

2、实现发明目的的技术方案如下：

3、在本发明的第一个实例中，提供了一种基于离心铸造的层状纳米异构高强韧镁合金板的制备方法，制备方法包括：

4、步骤1、熔炼第一种镁合金材料获取第一种镁合金溶液，熔炼第二种镁合金材料获取第二种镁合金溶液，其中所述第一种镁合金材料与所述第二种镁合金材料中除镁元素外其余金属元素种类均不同；

5、步骤2、基于离心铸造方法，用第一种镁合金溶液和第二种镁合金溶液交替进行离心浇铸，制备多层镁合金铸件；

6、步骤3、对多层镁合金铸件进行固溶处理、水淬处理、热轧处理、冷轧处理，获取多层镁合金板材；

7、步骤4、对多层镁合金板材依次进行再结晶退火处理和时效处理，获得层状纳米异构镁合金板；

8、其中，所述层状纳米异构镁合金板包括沿密排六方晶体结构基面析出纳米板条状的mg17al12相、沿密排六方晶体结构柱面析出圆盘状的纳米β'相。

9、进一步地，上述步骤1中，所述第一种镁合金材料的再结晶温度大于所述第二种镁合金材料的再结晶温度。

10、更进一步地，上述步骤1中，所述第一种镁合金材料包括mg-gd系合金、mg-gd-y-zr系合金、mg-gd-y-zr-ca系合金中任意一种，所述第二种镁合金材料包括mg-mn系合金、mg-al系合金、mg-zn系合金中任意一种。

11、更进一步地，上述步骤4中，所述层状纳米异构镁合金板中，所述mg17al12相位于所述第二种镁合金溶液形成的浇铸层中，所述纳米β'相位于所述第一种镁合金溶液形成的浇铸层中。

12、进一步地，上述步骤1中，所述第一种镁合金材料和所述第二种镁合金材料均在通入有sf6和co2混合气体的坩埚电阻炉内，在650～800℃，熔炼5～10h的条件下进行熔炼。

13、进一步地，上述步骤3中，所述多层镁合金铸件为多层镁合金环形铸件，所述多层镁合金环形铸件的热轧处理方法，包括：

14、依据用户需求，沿所述多层镁合金环形铸件径向方向切割，获得多层镁合金弧形板；

15、用第一温度对所述多层镁合金弧形板首次热轧，获得多层镁合金平板；

16、用第二温度对所述多层镁合金平板进行至少一次热轧，获得冷轧前多层镁合金板材。

17、更进一步地，上述所述第一温度大于所述第二温度。

18、进一步地，上述步骤4中，所述多层镁合金板材在通有氩气保护气体的真空炉内，在300～450℃，保温30～60min的条件下进行再结晶退火处理。

19、进一步地，上述步骤4中，所述多层镁合金板材在恒温油浴炉内，在180～250℃，保温15～30h的条件下进行时效处理。

20、在本发明的第二个实例中，提供了一种基于离心铸造的层状纳米异构高强韧镁合金板，层状纳米异构高强韧镁合金板为经第一种镁合金溶液与第二种镁合金溶液依次交替浇铸形成；

21、所述第一种镁合金溶液与所述第二种镁合金溶液中除镁元素外其余金属元素种类均不同，由所述第一种镁合金溶液形成的第一镁合金层与由所述第二种镁合金溶液形成的第二镁合金层的再结晶退火温度不同，且所述第一镁合金层和所述第二镁合金层中的纳米析出相不同。

22、进一步地，所述第一镁合金层中包括沿密排六方晶体结构基面析出纳米板条状的mg17al12，所述第二镁合金层中包括沿密排六方晶体结构柱面析出圆盘状的纳米β'相；

23、或者，所述第一镁合金层中包括沿密排六方晶体结构柱面析出圆盘状的纳米β'相，所述第二镁合金层中包括沿密排六方晶体结构基面析出纳米板条状的mg17al12相。

24、进一步地，所述层状纳米异构高强韧镁合金板中至少包括3层镁合金板。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1.采用离心铸造方法，结合变形热轧处理工艺、再结晶退火处理工艺、时效处理工艺制备层状纳米异构高强韧镁合金板，具有极大的微观结构设计灵活性和指向性，可以根据需求调整镁合金材料的选择，能够制备出一系列层状异构镁合金。

27、2.通过离心铸造方法制备的层状纳米异构高强韧镁合金板，两种镁合金材料的界面处能够实现完美的冶金结合，可以避免采用两层及以上层金属板叠加压轧而出现层间剥离的问题，进而保证铸件的整体性。

28、3.通过采用具有不同再结晶退火温度的镁合金材料制成的层状纳米异构高强韧镁合金板，可以实现晶粒组织以及内部纳米析出相的双重异构(即沿密排六方晶体结构基面析出纳米板条状的mg17al12相、沿密排六方晶体结构柱面析出圆盘状的纳米β'相)，使得相邻层界面处异质变形诱导应力有利于非基面滑移系的额外激活，使最终制成的层状纳米异构高强韧镁合金板兼得硬相的高强度和软相的高韧性，以及耐高温蠕变性能优异的优点。

29、4.使用离心铸造方法，可以制备出大尺寸，以及层数和层厚可控的层状纳米异构镁合金板材，能够满足工业界对镁合金性能指标的各项要求。