一種調控鎂合金的長周期結構相的方法與流程
2023-07-19 15:16:01 1
本發明屬於金屬材料製備技術領域，涉及一種調控鎂合金的長周期結構相的方法。
背景技術：
鎂合金是工程應用中最輕的金屬結構材料，具有密度小，鑄造性能及切削加工性優良、減振及阻尼性能好等特點，其在實現輕量化、降低能耗等方面有顯著的優勢，在汽車、航空航天、電子技術等領域得到日益廣泛的應用。但是，由於鎂合金強度低、塑性差、易被氧化侵蝕等基礎性問題，極大地限制了鎂合金的應用，因此尋找有效的強化手段是開發高強鎂合金的關鍵問題。
鎂合金中長周期結構(LPSO)本身強韌性好，硬度高，而且在較高溫度下仍能保持較好的穩定性，對鎂合金綜合性能的提高有著顯著效果，因而受到人們極大地關注。長周期結構有多種類型，一般分為6H、10H、14H、18R和24R，其中14H和18R兩種類型最為常見。不同類型的結構在鎂合金中的分布、形態及尺寸不同，表現出來的性能也有所差異。因此找到一種控制LPSO相的方法，使其分布更均勻、形狀更規則、尺寸更小，才能最大限度地發揮其強化作用。徐志超等人提出的「一種LPSO相層狀複合鎂合金材料的製備方法」(CN104878230A)採用定向凝固的方法控制LPSO相的生長過程，得到一種具有單一方向的LPSO相層狀複合鎂合金材料。尹建等人提出了「一種長周期結構增強鎂合金半固態漿料及其製備方法」(CN104152775A)，所製備的合金成分為2.2％Ni，5.8％Gd，5.3Nd％，餘量為Mg。先將合金在氬氣氣氛下熔煉，凝固後得到母合金錠；再將製得的合金放入不鏽鋼坩堝中重熔，然後在脈衝磁場作用下凝固製得長周期結構增強鎂合金半固態漿料，最後得到分布較為均勻的LPSO相。滕新營等人提出的「一種鑄造Mg-Zn-Y鎂合金長周期結構相的調控方法」(CN105112828A)將製備的Mg-Zn-Y合金進行固溶及時效處理，合金中LPSO相變為均勻分布的細針狀，體積分數最大為56.41％，細針狀結構厚度最小為27.5nm。羅素琴等人提出的「一種高強度高塑性鎂合金」(CN104328320A)製得的合金元素含量為3.0-4.5％Ni、4.0-5.0％Y、0.01-0.1％Zr，餘量為Mg以及不可避免的雜質(≤0.15％)。熔煉後凝固得到的鑄件在470℃下均勻化退火16h後進行熱擠壓，製得鎂合金棒材。得到的擠壓態合金中，LPSO相均勻分布於基體，部分發生了扭折變形，合金力學性能得到明顯提高，屈服強度、最大抗拉強度和伸長率分別為300MPa，400MPa，7.8％。
從現有專利文獻來看，目前對鎂合金中LPSO相進行調控的主要途徑有改變元素組成及含量、控制凝固過程、對製件進行塑性變形加工及對製件進行熱處理。其中，對合金凝固過程進行控制，不僅能夠直接獲得高性能的鑄件，還可以均化鑄錠的初始組織，提高後續熱處理或者塑性變形對LPSO相的分布及形態的改善效果。合金凝固過程的控制方法主要包括變質法、合金化法、外場作用法(如施加電磁場)、快速凝固法等。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種調控鎂合金中長周期結構相的方法，該方法可以有效細化初生α-Mg晶粒與LPSO相，並且提高α-Mg晶粒的圓整度；並縮短α-Mg與LPSO相的生長時間，改善鑄件品質。
本發明提供的一種調控鎂合金中長周期結構相的方法，其特徵在於，該方法利用超聲振動對鎂合金熔體進行處理，以細化初生α-Mg晶粒與LPSO相，並且提高α-Mg晶粒的圓整度；然後將熔體澆入預熱好的模具中，並加以壓力，使澆入模具中的熔體能夠快速凝固，縮短α-Mg與LPSO相的生長時間，以更有效地發揮超聲處理的作用，以進一步細化α-Mg與LPSO相，改善鑄件品質。
作為上述技術方案的改進，該方法所用的合金成分按質量分數計，為1.0-2.8％Ni或Zn，2.0-3.8％Y，0.0-0.4％Zr，餘量為Mg以及不可避免的雜質，通過以下技術方案實現:
第一步按照設計的合金元素進行配比，所用的Mg、Ni或Zn、Y、Zr分別為純鎂、純鎳或純鋅，Mg-(10～30％)Y和Mg-(10～30％)Zr中間合金；
第二步合金原料在760℃-790℃的溫度下進行熔煉，整個過程持續通入N2和SF6混合氣體保護，其中SF6的體積分數為0.5-1.5％；
第三步原料完全熔化後，將熔體溫度降至730℃-760℃，通入氬氣進行精煉，精煉結束後扒渣，保溫靜置；
第四步將熔體溫度降至710-730℃，用預熱好的容器盛金屬液，置於保溫爐中保溫，保溫溫度為合金液相線溫度以下10-30℃；
第五步待容器內熔體溫度降至合金液相線溫度以上10℃-60℃時開始進行超聲處理；超聲功率500-3000W，持續時間1min-5min；
第六步振動結束後，將金屬液澆入預熱的模具中，合模後立即施加壓力，壓力大小為50-500MPa，保壓時間1min-3min。
作為上述技術方案的進一步改進，第三步中通入氬氣進行精煉的持續時間為10-15min。
本發明方法中氬氣選用高純度的，一般說高純氬氣的純度是99.999％。
本發明在Mg-RE合金中加入Zn、Cu、Ni等元素，並滿足一定的比例時能生成大量的長周期結構，本發明根據現有的Mg-X-RE(X＝Zn,Cu,Ni)系合金中長周期結構的形成規律，通過改變Ni(或Zn)/Y元素的加入量設計合金成分，並結合超聲處理及較高壓力下的凝固來控制LPSO相的形態、尺寸及分布，以充分發揮其強化作用。經過這種方法製備的合金中LPSO相的尺寸與未經處理合金中LPSO相尺寸相比明顯減小，並且分布於晶內的粗大層片狀LPSO相數量減少，而細針狀相增多，因此能有效強化合金，提高合金綜合性能，為製備高強度高韌性鎂合金提供一種新技術。具體而言，本發明有以下有益效果：
(1)本發明能夠打斷合金中的立體網狀LPSO相，減少其對鎂基體的割裂作用；
(2)本發明能夠消除晶界處塊狀的LPSO相，減小LPSO相的厚度，充分發揮其強化作用；
(3)超聲處理能降低成分偏析，使LPSO相均勻分布，提高鑄件性能的穩定性；
(4)超聲振動與壓力作用於合金的凝固過程，基體組織大幅細化。經過處理後的熔體在壓力下凝固，冷卻速度快，能夠保留超聲處理得到的細小圓整的晶粒，提高合金強度。
附圖說明
圖1是本發明方法的流程圖：其中，1-熔煉爐；2-坩堝；3-通氣管；4-超聲變幅杆；5-保溫爐；6-凸模；7-凹模；
圖2是Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)合金直接澆鑄(a)與超聲處理後擠壓成形(b)顯微組織對比。
具體實施方式
對合金液施加超聲是一種綠色無汙染的外場處理技術，超聲不僅能細化合金的初生相，還能改善二次相或共晶組織的形態和分布，近年來受到廣泛關注。對凝固過程中的合金施加壓力，可使合金與鑄型始終緊密接觸，提高冷卻速度，從而起到改善凝固組織的作用。將超聲振動和壓力先後作用於凝固中的鎂合金，將大幅改善LPSO相的形態和分布。
本發明利用超聲振動對鎂合金熔體進行處理，然後將熔體澆入預熱好的模具中，使其在較高的壓力下凝固成形；本發明的主要思想是，超聲振動是一種簡便、高效、無汙染的技術，可以有效細化初生α-Mg晶粒與LPSO相，並且提高α-Mg晶粒的圓整度。但是經過超聲處理後的熔體在模具中冷卻凝固時，原本細小而圓整的晶粒會繼續長大成為樹枝晶，降低合金性能；若澆入模具中的熔體能夠快速凝固，縮短α-Mg與LPSO相的生長時間，則能更有效地發揮超聲處理的作用，而擠壓鑄造成形能夠達到這一目的，並且可以進一步細化α-Mg與LPSO相，改善鑄件品質。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本發明，但並不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
本發明方法包括下述步驟：
第一步根據合金成分準備原料。
第二步所有合金原料在乾燥箱中進行烘乾預熱，溫度150-200℃，預熱時間10-30min。
第三步將預熱後的鎂錠放入圖1熔煉爐1內的坩堝2中，升溫至500℃，保溫10-30min；整個熔煉過程均由通氣管3持續通入N2和SF6混合氣體保護，其中SF6體積佔比0.5-1.5％；
第四步繼續升溫至700℃，保溫；
第五步待鎂錠完全熔化後，將熔體升溫至750-770℃，加入剩餘合金原料，保溫20-40min；
第六步將熔體繼續升溫至780℃，攪拌後保溫10min-40min；
第七步調節坩堝2內的熔體溫度至730-760℃，通入高純氬氣進行精煉，持續時間10min-15min；精煉後扒渣，靜置30-60min；
第八步將熔體降溫至710℃-730℃，待溫度穩定後用預熱好的容器盛金屬液，置於保溫爐5中保溫，保溫溫度在液相線以下10-30℃，熔體冷卻速度0.1-3℃/s。
第九步待溫度冷卻至合金液相線溫度以上10-50℃時將超聲變幅杆4伸入金屬液中開始振動，功率500-3000W，時間1-5min；
第十步振動結束後，將金屬液澆入預熱凹模7中，然後立即降下凸模6進行擠壓成形，模具預熱溫度200-300℃，擠壓壓力50-500Mpa，保壓時間1-3min。
實例：
實施例1
製備化學成分為Mg-2.8Ni-3.8Y-0.4Zr(wt.％)的合金。採用99.9％純鎂，99.9％純鎳，Mg-30％Y和Mg-30％Zr中間合金為原料，在200℃下烘乾30min。將鎂錠放入熔煉爐1內的坩堝2中，隨爐升溫至500℃後保溫10min，繼續升溫至700℃。待鎂錠全部熔化後將鎳屑加入熔體中，並升溫至770℃；鎳屑溶解後，加入Mg-30％Zr和Mg-30％Y中間合金並保溫30min；隨後升溫至780℃進行攪拌。所有原料全部熔化後，調節熔體溫度，使熔體溫度穩定在730℃後通入高純氬氣進行精煉，調節氬氣流量保證金屬液不發生飛濺，持續時間12min，並扒除表面浮渣，靜置30min。整個熔煉過程均由通氣管3通入N2和SF6混合氣體保護。
調節熔體溫度至720℃，將金屬液倒入保溫爐5內的容器中(保溫溫度630℃)，同時向爐膛內通入氬氣保護。熔體溫度降至680℃後利用變幅杆4對金屬液進行超聲振動處理，超聲功率2500W，持續振動120s後，熔體溫度降至640℃，將容器內金屬液澆入凹模7中，模具提前預熱至270℃；然後立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力300MPa，保壓時間150s。實施例2
製備化學成分為Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)的合金。採用99.9％純鎂，99.9％純鋅，Mg-10％Y和Mg-20％Zr中間合金為原料，在150℃下烘乾50min。先將鎂錠放入熔煉爐1內的坩堝2中，隨爐升溫至500℃後保溫10min，繼續升溫至700℃。待鎂錠全部熔化後升溫至770℃，加入小塊狀鋅和Mg-30％Zr、Mg-30％Y合金並保溫30min；隨後升溫至780℃進行攪拌。所有原料全部熔化後，調節熔體溫度至730℃，向其中通入高純氬氣進行精煉，調節氬氣流量保證金屬液不發生飛濺，持續通氣10min，接著扒除表面浮渣，靜置30min。整個熔煉過程均由通氣管3通入N2和SF6混合氣體保護。
調節熔體溫度至710℃，待溫度穩定後，將金屬液倒入保溫爐內的容器中(保溫溫度為620℃)，同時向爐膛內通入氬氣保護。熔體溫度降至665℃後利用變幅杆4對金屬液進行超聲振動處理，超聲功率1500W，持續振動90s後，熔體溫度降至625℃，將容器內金屬液澆入凹模7中，模具提前預熱至250℃；然後立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力400MPa，保壓時間90s。所得合金顯微組織如圖2(右)所示。可以看出，經過超聲振動及壓力下凝固得到的合金中LPSO相尺寸明顯減小，有利於提高合金綜合性能。
實施例3：
製備化學成分為Mg-1.0Ni-2.0Y(wt.％)的合金。採用99.9％純鎂，99.9％純鎳，Mg-20％Y中間合金為原料，在200℃下烘乾60min。將鎂錠放入熔煉爐1內的坩堝2中，隨爐升溫至500℃後保溫10min，繼續升溫至700℃。待鎂錠全部熔化後將鎳屑加入熔體中，並升溫至770℃，保溫30min；鎳屑溶解後，加入Mg-30％Y中間合金並保溫30min；隨後升溫至780℃進行攪拌。所有原料全部熔化後，調節熔煉爐溫控，使熔體溫度穩定在740℃，然後通入高純氬氣進行精煉，調節氬氣流量保證金屬液不發生飛濺，持續時間15min，並扒除表面浮渣，靜置40min。整個熔煉過程均由通氣管3通入N2和SF6混合氣體保護。
調節熔體溫度至730℃，將金屬液倒入保溫爐內的容器中(保溫溫度630℃)，同時向爐膛內通入氬氣保護。熔體溫度降至700℃後利用變幅杆4對金屬液進行超聲振動處理，超聲功率2000W，持續振動150s後，熔體溫度降至635℃，將容器內金屬液澆入凹模7中，模具提前預熱至300℃；然後立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力200MPa，保壓時間130s。
以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。