一種多納米相復合增強鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多納米相復合增強鎂合金及其制備技術，特別涉及一種制備合金的新方法、新工藝，屬于鎂合金技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟的不斷發展，金屬材料的需求和消耗與日倶增。鎂以豐富的儲量具有巨大的優勢，豐富的鎂礦資源為我國鎂產業的可持續發展提供了最可靠的資源保障。鎂是最輕的金屬結構材料，其密度只有1.74g/cm3，僅相當于鋁的2/3、鋼的1/4。同時鎂合金還具有比強度高、導熱導電性好、阻尼減振、電磁屏蔽、易于機械加工和容易回收等優點，已成為交通、電子通信、航天航空和國防軍工等工業領域的重要材料。但是鎂合金較低的力學性能和較差的塑性變形能力制約了其應用領域，因此，提高鎂合金的強度和塑性是亟待解決的問題。
[0003]目前，主要是通過固溶強化、第二相強化、時效強化、形變強化、細晶強化等來提高鎂合金的強度和韌性，從而改善鎂合金的綜合力學性能和使用性能，拓展其應用范圍。其中，固溶強化、第二相強化和時效強化是鎂合金的主要強化手段。稀土是一種重要的合金化元素，大部分稀土元素在鎂中具有較大的固溶度，特別是Gd、Er、Dy等元素在鎂中的固溶度達到20wt.%以上，從而使得稀土元素成為了人們研究的熱點。另外，稀土原子可置換鎂原子，形成鎂置換固溶體，對鎂基體起到顯著的固溶強化效果。同時，可與鎂等其它合金化元素結合形成金屬間化合物，對合金起到良好沉淀強化效果。
[0004]稀土元素與鎂基體作用生成高熔點的第二相，隨后在低溫時效處理過程中又會在晶粒內和晶界上大量析出，可以提高鎂合金綜合力學性能。在鎂合金中添加稀土元素是提高其力學性能的有效途徑。值得一提的是，Mg-RE合金尤其是Mg-Gd、Mg-Nd、Mg-Y系合金經過時效處理后，會產生大量的彌散納米級相，它可顯著提高Mg-Gd系合金的強度。然而，Mg-RE系合金還有許多的不足，其中最重要的一點就是塑性差，其主要表現為延伸率低，可塑性加工能力差。因此，如何克服這種缺點將是該類合金應用推廣的一大障礙。
[0005]正是在Mg-RE系合金的瓶頸期發現了另外一種強韌化效果突出的LPSO結構。早期研究發現，在Mg-Y合金中添加少量的Zn可獲得一種新的結構，該結構主要特點是多層原子面堆積，為一種長周期結構。目前發現在稀土鎂合金中存在一種新型的長周期堆垛有序結構(Long Per1d Stacking Ordered Structure，LPSO)強化，該物質有多重晶體原子排列方式，獲得了不同構建類型的LPSO結構，根據原子排列可將該相分為24R、18R、14H、6H等多種形式的LPSO結構，18R和14H為目前常見的LPSO結構。
[0006]根據目前報道，Y Kawamura等研究了Mg97ZniRE2合金中LPSO結構的形成能力及其力學性能，發現僅當RE = Y,Dy,Ho,Er,Gd, Tb和Tm時可形成LPSO結構。這些合金可分為兩類，類型1:Mg-Zn-Y，Mg-Zn_Dy，Mg-Zn_Ho，Mg-Zn_Er和Mg-Zn-Tm，他們在凝固過程中即可形成18R型LPSO結構，經773K X 1h均勻退火化后轉化為14H型(除了Tm，仍為18R型)；類型I1:Mg-Zn-Gd和Mg-Zn-Tb，鑄態下不存在LPSO結構，但是經后續773K下，1h的恒溫處理，14H型LPSO結構亦可析出(Y.Kawamura，M.Yamasak1.Format1n and Mechanical Properties ofMg97ZmRE2Al 1ys with Long-Per1d Stacking Ordered Structure [J].MaterTrans.2007,48:2986-2992.)。
[0007]含有LPSO相的合金，特別是Mg-Y-Zn合金，在經塑性變形后，長周期結構在合金中分布較為分散，基體晶粒得以細化，進而提高了合金的強度和塑性。其實不難發現，合金中存在的初生LPSO是一種非常穩定的結構，其只有結構的轉變(18R向14H轉變)，而無消失與否，初生的這種LPSO結構它始終以一種粗大的形式存在于鎂合金的晶界上，無論固溶處理還是擠壓加工，其都始終存在，固溶后與擠壓后的區別僅僅在于尺寸略微減小，分布較為均勾而已。但其在大小、分布等方面并無實質性改變。而Mg-Gd-Zn合金中的LPSO J^fMg-Y-Zn合金來講則有很大不同，造成這種不同的主要原因是LPSO結構析出過程不一樣。Mg-Gd-Zn合金中的初生相主要為Mg-Gd析出相，該相可在高溫下分解，然后有針狀LPSO結構析出，但其對成分及熱處理工藝要求極為苛刻。截止目前為止，還未發現能夠完全實現Mg-Gd-Zn合金中LPSO結構的理想調控。由此可見，含有Zn的Mg-RE合金中的LPSO結構更加復雜，其調控過程也需要更加精確。然而，目前的研究表明，含有粗大初生LPSO結構的Mg-Y-Zn系合金并不滿足這種要求，即納米級、均勻分布等。現有的合金成分及工藝條件也未實現這種要求。
[0008]另外，含有LPSO結構的合金還有非常大的不足，這歸因于合金中粗大LPSO結構的析出，大量消耗了合金中的稀土元素，導致合金時效強化效果嚴重惡化。研究表明，隨著LPSO結構含量的增加，合金的時效強化效果逐漸降低，漸至不明顯或者消失。
[0009]因此，開發一種綜合力學性能優異的稀土鎂合金至關重要。由此可見，含有Zn的Mg-RE合金中的LPSO結構更加復雜，其調控過程也需要更加精確。然而，目前的研究表明，初生的LPSO結構粗大，分布不均，熱處理中析出的LPSO結構雖然細小，但分布不均，且未形成，其關鍵還是合金成分、熱處理工藝及擠壓工藝等存在問題。
[00?0]本發明中涉及到一種新的合金及其制備方法，主要的合金成分為Mg、Zn和Gd C3Zn和Gd作為主要的合金化元素。其中Gd含量10?25wt.%，Zn含量I?5wt.%，余量為Mg，其中Gd的質量百分含量與Zn的質量百分含量差值不低于8%。同時結合多級熱處理、分級擠壓等制備加工方法，獲得一種力學性能優異的變形鎂合金材料，其屈服強度可達250?400MPa，延伸率可達10?25%。該合金主要的強化原因為納米針狀相及納米片層狀相等兩種納米相共同強化，這兩種相交錯分布，可顯著提高該合金的綜合力學性能。此合金及其制備方法尚屬首創，特別是提到兩種納米相共同強化，而且這兩種納米相的尺寸變化具有層次性，其均分布于基體中，分布非常均勻，可有效提高合金的強度和延伸率。為一種新的合金及其制備方法，具有創新性。
【發明內容】
[0011]本發明提供一種多納米相復合增強鎂合金及其制備技術，通過多級熱處理、分級擠壓等方法獲得了一種力學性能優異的變形鎂合金材料。
[0012]—種多納米相復合增強鎂合金，其特征在于，主要的合金成分為Mg、Zn和GcUZr^PGd作為主要的合金化元素，其中Gd含量10?25wt.%，Zn含量I?5wt.%，余量為Mg，其中Gd的質量百分含量與Zn的質量百分含量差值不低于8%。
[0013]多納米相指的是納米針狀相及納米片層狀相，兩種納米相共同強化。兩相交錯分布。
[0014]上述多納米相復合增強鎂合金的制備方法，其特征在于，采用交互處理過程，首先是進行固溶處理，其作用是完全徹底消溶粗大第二相和消除偏析，然后進行初級擠壓加工，獲得初級棒材，而后對初級棒材進行高溫相析出的熱處理，其處理的作用主要是獲得分布比較彌散分布的第二相，然后進行二次擠壓，其作用主要是細化晶粒、使第二相破碎并進一步彌散分布，而后再次進行高溫析出相的熱處理工藝，接著最后進行低溫相的析出熱處理工作。
[0015]上述多級熱處理工藝為:熱處理溫度區間為200?550°C，將其處理過程分為三個部分，分別是固溶處理、高溫相析出處理、低溫相析出處理。這三個處理過程的溫度有著明顯的界線區分，其分別為固溶處理溫度區間520?550°C，保溫時間為5?15h;高溫相析出處理溫度區間450?520°C，保溫時間為10?120h;低溫相析出處理溫度區間200?350°C，保溫時間為15?100h。
[0016]分級擠壓工藝:
[0017]本發明的擠壓工藝為初級擠壓和二次擠壓。其主要特點是，初級擠壓時擠壓毛坯為直徑90?120mm的粗大鑄造棒材，擠壓溫度為400?500°C，擠壓后的棒材直徑為35?55mm，擠壓機為630噸臥式擠壓機，正向擠壓；二次擠壓毛還直徑為35?55mm，擠壓溫度為300?425°C，擠壓之后獲得棒材直徑為10?15mm，擠壓機為200噸立式擠壓機，反向擠壓。
[0018]本發明熱擠壓工藝與熱處理工藝交叉進行，順序分明。
[0019]固溶保溫后進行70_100°C水淬火步驟。
[0020]本發明的特點和有益效果
[0021]1.獲得了一種多納米相復合增強的變形鎂合金，其制備方法與成分設計不同于目前的Mg-RE-Zn系合金。
[0022]2.本發明中涉及到的熱處理工藝及擠壓加工工藝為一個有效復合的制備技術，目前還未有報道。<