一種超高模量的鎂合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超高模量的鎂合金及其制備方法，尤其是一種氧化鋁增強鎂合金 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鎂合金是一種密度非常小的的輕金屬材料，目前已經在手持電子設備、汽車、航 空航天等領域中應用。作為工程材料，人們通常期望高模量、高強度的材料，但是，由于鎂合 金的原子結構特點，其塑性差，模量低、強度偏低。
[0003] 中國專利CN 103031452 A公開了一種碳化硅顆粒增強鎂基復合材料及制備方法， 該發明以純Mg粉末、A1粉末和SiC顆粒微粉為原材料，采用粉末冶金和多向鍛造法制備碳化 硅顆粒增強鎂基復合材料。通過粉末冶金和多向鍛造兩種成型方法，使鎂合金基體與SiC顆 粒之間具有良好的浸潤性和結合性，而且消除了粉末冶金成型過程中殘留在材料內部的孔 隙，最終獲得了 SiC顆粒均勻分布，鎂合金基體晶粒細小的鎂基復合材料，使該復合材料具 有更好的力學性能。該發明的鎂合金的抗拉強度一般為100余MPa。
[0004] 中國專利104109790A提供了 一種高強鎂合金材料及其制備方法，該鎂合金材料組 分中包含鋁(A1)，鋅(Zn)，氯化錳(MnCl2)，碳化硅(SiC)晶粒，鈹(Be)，鎂(Mg)，其中，鎂合金 材料各組分組成按重量百分比分別為:鋁(A1): 10.5-12%，鋅(Zn):6-7%，氯化錳(MnCl2): 0.6-1.5%，碳化硅(SiC)晶粒:2-3.5%，鈹(Be) :0.01-0.03%，余量為鎂(Mg)。該合金通過 連續鑄造的方式取代傳統的擠壓工藝，以短流程的方式完成鎂合金的生產，縮短了生產流 程，節約了成本，所制備的鎂合金材料相比于傳統的鎂合金材料，在抗拉強度、屈服強度、延 伸率、彈性模量、硬度等方面均得到明顯改善。
[0005] 中國專利103320631A提供了一種鎂合金摻雜SiC顆粒的增強方法，其使用的化學 物質材料為:鎂合金塊、細碳化硅、粗碳化硅、氫氟酸、去離子水、六氟化硫、二氧化碳。鎂合 金摻雜SiC顆粒的增強方法如下：（1)精選化學物質材料:對使用的化學物質材料進行精選， 并進行質量純度、濃度控制；（2)預處理碳化硅；（3)熔鑄鎂合金、摻雜SiC顆粒熔煉鎂合金、 摻雜SiC顆粒是在熔煉坩堝中進行的，是在加熱、攪拌、氣體保護下完成的；（4)澆鑄成錠、加 壓凝固；（5)熱擠壓鎂合金復合材料鑄錠的熱擠壓是在熱擠壓機上進行的，是在圓筒形模具 內、在加壓過程中完成的；（6)冷卻將經過熱擠壓的鎂合金復合材料棒，埋入細砂中，使其自 然冷卻至25°C ; (7)清理將熱擠壓、冷卻后的鎂合金復合材料棒用砂紙打磨，使表面光潔； (8)檢測、分析和表征對制備的鎂合金復合材料棒的色澤、顯微組織、力學性能、耐磨性進行 檢測、分析和表征;結論:摻雜SiC顆粒的鎂合金復合材料棒為銀白色，顯微組織致密，細SiC 顆粒和粗SiC顆粒在鎂合金棒中分布均勻，屈服強度達320MPa±2MPa，硬度達120HV±5HV， 耐磨性提高80%。
[0006] 中國專利CN 104109790 A提供了一種高強鎂合金材料及其制備方法，該鎂合金材 料組分中包含鋁（A1)，鋅（Zn)，氯化錳（MnCl2)，碳化硅（SiC)晶粒，鈹（Be)，鎂 (Mg)，其中，鎂合金材料各組分組成按重量百分比分別為：鋁（Al) :10.5-12%，鋅（Zn) :6-7%，氯化錳（MnCl2) :0.6-1.5%，碳化硅（SiC)晶粒：2-3.5%，鈹（Be) :0.01-0.03%，余量為鎂（Mg)。本發明所提供的高強鎂合金材料及其制備方法，通過連續鑄造 的方式取代傳統的擠壓工藝，以短流程的方式完成鎂合金的生產，縮短了生產流程，節約 了成本，所制備的鎂合金材料相比于傳統的鎂合金材料，在抗拉強度、屈服強度、延伸率、 彈性模量、硬度等方面均得到明顯改善。屈服強度最高可達到380MPa，不過其延伸率很低， 只有5%。
[0007] 以上發明都致力于提高鎂合金的性能特別是強度性能，不過，其發明的鎂合金的 彈性模量一般都在30MN*M/Kg以下，在工程材料中屬于偏低的范圍。
[0008]
【發明內容】
： 發明目的：為了拓展鎂合金的應用領域，本發明提供了一種高強度鎂合金及其制備方 法。
[0009] 本發明的技術方案如下： 采用在納米顆粒增強的方法，在熔煉的過程中向鎂合金中摻入氧化鋁納米顆粒，分散 均勻，緩慢冷卻并抽真空讓納米顆粒進一步提高濃度，然后在高壓下采用扭曲變形的方式， 進一步細化晶粒，提高合金的強度。根據本發明，可以制備一種納米顆粒增強的高強鎂合 金。其顯微組織中的平均晶粒直徑在100納米以下，納米顆粒的直徑在100納米以下，鎂合金 的彈性模量在50MN*M/Kg以上。
[0010]具體制備方法包括以下步驟： (1)準備原料:準備99.9%以上的高純鎂與高純鋅，以及平均粒徑為100納米以下的納米 氧化錯； (2 )熔煉合金：將高純鎂與鋅按照一定的原子比例配料，在保護氣氛中熔煉，熔煉過程 中加入納米氧化鋁，保持溫度在700 ° C，采用超聲的方法進行分散； (3) 對合金錠進行緩慢冷卻，在冷卻的過程中保持抽真空狀態，真空度低于5torr; (4) 冷卻后，將合金錠加工成圓盤狀； (5) 將步驟（4)處理的粗晶合金圓盤放入上、下兩個壓砧中的凹槽形成的空間內，對 合金施加高壓，并旋轉壓砧以扭轉合金圓盤，使之發生扭曲形變。
[0011] 其中，步驟（1)中的保護氣體為C02與SF6的混合氣體，步驟(3沖，冷卻速度小于每 秒0.5k;步驟(5)中合金承受的壓力為1.5-5GPa;旋轉速度每分鐘2~5轉，一共旋轉3-20圈。
[0012] 作為優選，C〇2與SF6的體積比的范圍是50:1~100:1。
[0013] 作為優選，高純鎂與鋅的原子比例為3~6:1。
[0014] 作為優選，步驟(2)中所加入的氧化鋁顆粒占合金的質量分數為1.5~5%。
[0015] 有益的效果： 本發明采用高強度的納米氧化鋁的顆粒作為增強顆粒，不僅可以起到細化晶粒的作 用，而且可以作為位錯運動的障礙，阻止金屬的位錯移動，從而強化金屬；同時，細化晶粒能 夠起到改善合金塑性的作用。
[0016] 本發明采用高溫金屬液體狀態下進行超聲分散，有效解決了納米顆粒在金屬中很 難分散均勻的問題。在液態金屬狀態下使用超聲分散，可以將納米顆粒分散均勻，以解決傳 統混合、攪拌等技術中納米顆粒分散不好的缺陷。熔煉后采用緩慢冷卻，同時保持真空度， 可以使鎂的金屬蒸汽不斷地被抽出，降低合金中鎂的含量，從而提高合金中納米顆粒的體 積分數，進一步增強納米顆粒強化的效果。在本發明中，雖然加入的鎂鋅比例為3~6:1，但是 最終得到的合金中，鎂鋅的原子比例在3:1至1.5:1之間。
[0017]在施加高壓扭曲形變的過程中，合金基體中較大的晶粒被分解成更細小的納米晶 粒。最終合金的平均晶粒直徑一般在100納米以下，根據霍爾-配奇關系，晶粒變得細小，可 以使得合金的強度更高，同時，也可以改善合金的塑性。通過本發明制備的鎂合金，其彈性 模量可以高達50MN*M/Kg以上，比目前的鈦合