一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热处理技术领域，涉及一种用于调控铸造Mg-Zn-Y合金的LPSO相含量和形貌的工艺，具体涉及一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法。
【背景技术】
[0002]金属镁及其合金是目前在工程应用中最轻的金属结构材料，镁合金具有低密度，高比强、比刚度，高阻尼性能以及电磁屏蔽性能，因而广受材料和机械工作者的关注。在航天航空、国防军工、交通运输、电子器件壳体工业领域中是实现轻量化目标的理想替代环保材料。其中，铸造镁合金主要用于汽车零件、机电壳罩和电器构件。镁合金的磁屏蔽性能优于铝合金，能起到更好的阻隔电磁波作用，适合于作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机、电脑笔记本。随着国民收入水平的不断提高，更多电子产品逐渐进入普通家庭，镁合金的在这方面的需求大量增加成为必然。然而，由于镁合金缺乏有效的强化相及对第二相含量和分布的有效控制手段，其力学性能难以达到结构材料的需求，使其应用受到了极大的限制。
[0003]Mg-Zn-Y合金体系中存在的第二相种类较为有特点，既有二十面体准晶I相，立方晶系W相，还有长周期堆垛有序结构LPSO (Long per1d stacking ordered)相。这些三元相的存在与否，对合金的力学性能产生很大的影响。其中，LPSO相对镁合金强韧性具有积极的影响。当Zn/RE原子比符合一定的范围时，会形成不同的LPSO相。当Y/Zn原子比为1~3，合金中可以形成LPSO结构，此外，Y/Zn原子比值及Y和Zn含量对LPSO结构类型、尺寸、形貌和体积分数均有重要影响。LPSO结构类型中常见的有18R和14Η，18R结构可直接在凝固过程中形成，而14Η结构必须经过固态转变而来，且两者的微观形貌、尺寸以及相对含量决定了 LPSO相的整体形貌与体积分数。14Η的固态转变需要经过Y和Zn等原子向层错(Stacking faults, SFs)扩散的过程，而适当温度和时间的热处理能促使18R的分解和Y、Zn等原子向SFs的扩散。此外，18R向14Η结构转变有利于堆垛层错能、剪切应变能和晶格畸变能的降低，有利于合金组织与性能的稳定。
[0004]铸态Mg-Zn-Y合金初生相中LPSO相由于成分偏析而分布不均匀且较为粗大，从而无法充分完全发挥LPSO相对合金基体的强化作用。通过合理热处理工艺的设计优化实现对18R向14Η结构转变的调控，从而实现对LPSO相的尺寸、形貌与体积分数的调控。而LPSO相的含量与形貌及分布，对后续热变形加工中的动态再结晶机制有着重要的影响，直接关系到合金最终状态的性能。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术中缺乏对铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相，即LPSO相含量和分布的有效控制手段，提供了一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法。
[0006]本发明技术方案如下:
一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法，其特征在于:首先制备LPSO结构 Mg-Zn-Y镁合金，再将制备的LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金经固溶处理和时效处理即可；
所述固溶处理，方法为:将LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金放入初温180?230°C的热处理炉中，然后升温至500?530°C，保温3?20h，随后取出于60?85°C水中淬火；
所述时效处理，方法为:将固溶处理后的LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金放入初温300?330°C的热处理炉中，保温35?50min，然后取出于60?70°C水中淬火，再放入热处理炉升温至175?225°C，保温1.5?60h，随炉冷却至80?100°C时，取出空冷。
[0007]所述固溶处理，升温速率3?6°C /min ;所述时效处理，升温速率3?5°C /min。
[0008]所述的LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金，其质量百分比含量组成为:3.00?6.00%Ζη，
12.00?14.00%Y，余量为镁。
[0009]所述的，固溶处理和时效处理时，热处理炉中加入硫磺粉，硫磺粉可以防止Mg-Zn-Y镁合金试样在热处理过程中被氧化或自燃。
[0010]所述的，热处理炉优选SG2-7.5-12型高温实验电阻炉。
[0011]所述的，LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金制备方法:以重量百分比含量为29.50?30.50%Υ和69.50?70.50%Mg为原料，加热熔化并升温至805?845°C，搅拌均匀后浇注金属型，制得Mg-Y中间合金；然后按配比称取纯锌锭、制备的Mg-Y中间合金和纯镁锭原料，将Mg-Y中间合金和纯镁锭放入预热到200?320°C的容器中，然后升温至730?750°C，待Mg-Y中间合金和纯镁锭完全熔化时，加入纯锌锭，搅拌均匀，除去熔液表面的废渣，继续搅拌3?5min，静置20?25min，浇注成形，得LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金。
[0012]上述LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金制备方法中，原料纯锌锭、Mg-Y中间合金和纯镁锭的重量百分含量组成为:3.00?6.00%纯锌锭、39.34?47.46%Mg_Y中间合金，其余为纯镁锭。
[0013]上述LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金制备方法中，熔炼过程中通入SF6-OV混合气体保护，SF6-OV混合气体，SF 6和CO 2体积比为1:150。
[0014]本发明方法通过适当温度和时间的热处理促使LPSO相18R向14H的固态转变，从而实现对LPSO相的尺寸、形貌与体积分数的调控。可以充分消除铸造合金中的成分偏析，进而改善第二相粗大且分布不均匀现象。做到简单有效的调控铸造Mg-Zn-Y镁合金中LPSO相的尺寸、形貌与体积分数，从而显著提高铸造Mg-Zn-Y合金的力学性能，为改善镁合金的性能提供了一种有效的热处理新技术。同时，本发明还优化了上述铸造Mg-Zn-Y镁合金的成分配比，通过优化Y和Zn原子的质量百分含量进一步实现对LPSO相的尺寸、形貌与体积分数的调控。
[0015]通过本发明热处理工艺，有效消除了铸造Mg-Zn-Y合金中存在的成分偏析，进而改善第二相粗大且分布不均匀现象。促使LPSO相18R向14H的固态转变，降低了堆垛层错能、剪切应变能和晶格畸变能，利于后续变形热加工时的动态再结晶的发生。经过该热处理工艺之后使得LPSO相的微观相貌由杆状或块状居多向层片状或极细针状居多转变，对合金中LPSO相的体积分数(33.76?56.41%)、尺寸(细针状结构厚度最小值为27.50?110.50nm)进行调控，同时细化晶粒(平均晶粒直径为10.16?20.12 μπι)。LPSO相的分布也由块状初生第二相成网状或不连续网状分布于晶界处向晶内析出极细针状相转变而更加均匀，有利于阻碍合金基面位错的滑移，从而显著提高合金强度和塑性。本发明提供了对铸造Mg-Zn-Y合金的LPSO相尺寸、含量和分布提便捷有效、切实可行的热处理工艺和方法。
[0016]本发明的特点及有益效果在于:
1)本发明热处理工艺，有效消除了铸造Mg-Zn-Y合金中存在的成分偏析，使LPSO相分布均匀。
[0017]2)本发明的热处理工艺中时效处理分两步实现，使LPSO相在合金基体中更加均匀的析出，有效避免其他第二相的出现，更好的实现对LPSO相的调控。
[0018]3)本发明的热处理工艺采用的初始温度、升温速率、保温温度、保温时间、冷却方式控制条件以及工艺顺序，有效促使LPSO相18R向14H的固态转变，降低了合金体系的堆垛层错能、剪切应变能和晶格畸变能，利于后续变形热加工处理。
[0019]4)通过本发明优化铸造Mg-Zn-Y镁合金的成分配比以及热处理工艺后，LPSO相的微观相貌多为极细针状，分布于晶内且均匀，LPSO相的体积分数最大值为56.41%、细针状结构厚度最小值可达27.50nm，平均晶粒直径最小值为10.16ym；LPS0相的分布也由块状初生第二相成网状或不连续网状分布于晶界处向晶内析出极细针状相转变而更加均匀。
[0020]5)本发明的热处理工艺和方法便捷有效、切实可行。
【附图说明】
[0021]图1为实施例3铸态Mg-Zn-Y镁合金经热处理后微观形貌图；
图2为实施例3铸态Mg-Zn-Y镁合金经热处理后LPSO相细针状结构厚度；
图3为实施例4铸态Mg-Zn-Y镁合金经热处理后LPSO相细针状结构厚度；
图4为对比例铸态LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金的微观形貌图。
【具体实施方式】
[0022]下面通过实施例和对比例对本发明一种铸造Mg-Zn-Y镁合金中长周期结构相的调控工艺做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0023]实施例1
一种铸造Mg-Zn-Y镁合金长周期结构相的调控方法，步骤为:
O常规铸造方法制备Mg-Y中间合金:
以重量百分比为29.50%Y和70.50%Mg为原料，放入坩祸中加热熔化并升温至845°C，搅拌均匀后浇注金属型，制得Mg-Y中间合金，熔炼过程中通入SF6-OV混合气体保护，得Mg-Y中间合金；
2)制备LPSO结构Mg-Zn-Y镁合金:
按配比称取纯锌锭、步骤I)制备的Mg-Y中间合金和纯