專利名稱：：快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬材料
技術(shù)領(lǐng)域：
的合金及其制備方法，具體涉及一種快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：輕質(zhì)金屬材料應(yīng)用，有助于交通工具(如汽車，摩托車，航天飛行器等)的輕量化，從而節(jié)能環(huán)保。鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度、比彈性模量，日益受到材料工作者的關(guān)注?？焖倌碳夹g(shù)可使金屬材料獲得非平衡相，如非晶，納米晶，準(zhǔn)晶等，這些非平衡相可大大提高金屬材料機(jī)械性能。在鎂合金材料領(lǐng)域，采用快速凝固技術(shù)獲得的鎂基大塊非晶合金，其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度都大大高于普通鎂合金，并且其比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)更加突出。但這些鎂基大塊非晶合金的合金體系所含鎂含量較低，原子含量低于80%或重量比只占33.3%左右，這使得它們密度大大的提高，弱化了其比強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，這些鎂基大塊非晶合金的塑性較差，這也極大地限制了鎂基非晶合金作為工程材料的實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，MenH等在《J.Mater.Research》(《材料研究雜志》，2003年18巻1502-1504頁(yè))發(fā)表了題為"FabricationofternaryMg_Cu-Gdbulkmetallicglasswithhighglass-formingabilityunderairatmosphere"("大氣下制備具有高非晶形成能力的Mg_Cu-Gd三元大塊金屬玻璃")的論文，提出在大氣下利用普通銅模噴鑄方法制備出直徑為8mm的非晶合金圓棒，但該非晶合金在室溫下即會(huì)發(fā)生由于結(jié)構(gòu)馳豫導(dǎo)致的室溫脆化，從而使得鎂基非晶材料的機(jī)械性能明顯下降，沒(méi)有任何塑性；并且其合金的鎂含量只占33.3wt.y。，使得密度達(dá)到3.8g/cm3,大大高于普通鎂合金密度(低于2g/cm3)。盡管其最高強(qiáng)度達(dá)到834MPa，但其比強(qiáng)度只有220MPa/gcm—3，尚未達(dá)到比強(qiáng)度250MPa/g'cm—3超高強(qiáng)度鎂合金的水平。一般認(rèn)為，鎂合金強(qiáng)度〉500MPa，比強(qiáng)度〉250MPa/(g'cm—3)，即被稱為超高強(qiáng)度鎂合金(文獻(xiàn)郭學(xué)鋒，魏建鋒，張忠明，鎂合金與超高強(qiáng)度鎂合金，鑄造技術(shù)，2002年23巻3期，pp.133-136)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金及其制備方法，改善快速凝固鎂非晶合金的塑性，降低其密度，并保持較高的強(qiáng)度(〉700MPa)，進(jìn)一步提高其比強(qiáng)度，使其比強(qiáng)度達(dá)到了278316MPa/g'cm—3的超高強(qiáng)度鎂合金的水平，適合于航空航天、國(guó)防軍工等高端市場(chǎng)對(duì)超高強(qiáng)度鎂合金結(jié)構(gòu)材料的需求。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明快速凝固鎂合金材料的包括下列組分(按重量百分比)49.8-69.6%鎂、11.2-18.3%鎳、10.0-32.2%釓、0-15.0%釹。上述鎂、鎳、軋、釹原料均為純度在99.9%以上。本發(fā)明所涉及的快速凝固鎂合金材料的制備方法，包括以下步驟(1)將高純金屬鎂、金屬鎳、金屬釓、金屬釹按上述重量百分比配料。金屬切成厚度為lmm的薄片，以利于下述步驟中的熔煉金屬快速均勻。(2)將(l)中準(zhǔn)備好的原料混合，放入石墨坩堝由高頻感應(yīng)加熱熔煉，熔煉中，感應(yīng)爐高頻感應(yīng)加熱電流由10安培逐漸增加至12安培，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的緩慢加熱，直至熔化，得到母合金錠。所述熔煉，其過(guò)程維持在25-30分鐘。前10分鐘電流為10安培，接著10分鐘為11安培，最后后5-10分鐘電流為12安培。所述熔煉以及熔化在密封腔室中進(jìn)行，使用石墨坩堝，氣氛為純度大于99.999%的純氬氣氛，氣氛壓力為l個(gè)大氣壓。(3)將(2)中所得的母合金錠破碎后采用感應(yīng)加熱重新熔化，在0.05MPa左右壓力下，熔體噴鑄入直徑為2mm，長(zhǎng)大于50mm銅模圓柱型腔內(nèi)，從而制得由銅模冷卻的快速凝固鎂合金材料。所述銅模噴鑄工藝，在密封型腔進(jìn)行，氣氛為氬純度大于99.99%的純氬氣氛，氣氛壓力為0.9個(gè)大氣壓。所述銅模，其直徑應(yīng)大于10厘米，以保證快速冷卻。本發(fā)明提供的快速凝固鎂合金，是以鎂為主要成分，鎳元素，釓元素和釹元素作為合金元素。與現(xiàn)有快速凝固鎂非晶合金相比，具有的有益效果是該合金系列具有鎂含量高，密度低，比強(qiáng)度高，塑性好。該系列快速凝固鎂合金的優(yōu)異性能使其在新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。圖l快速凝固鎂合金材料(含非晶合金比較例)的圓柱樣品橫截面的x射線衍射分析圖譜具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1本實(shí)施例組分及其重量百分比為18.3%鎳、16.3%釓、15.0%釹，其余為鎂(50.4%)，即表示為Mg-18.3%Ni-16.3%Gd-15.0%Nd。其具體制備方法如下步驟一將高純金屬鎂、金屬鎳、金屬釓、金屬釹按上述重量百分比配料。并將金屬切成厚度為lmra的薄片。步驟二將第一步驟中準(zhǔn)備好的原料一起混合，放入石墨坩堝中，由高頻感應(yīng)加熱熔煉；熔煉中，逐漸提高感應(yīng)爐電流，前10分鐘采用10安培電流加熱，接著10分鐘以11安培電流加熱，最后5-10分鐘采用12安培電流加熱；這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的緩慢加熱，直至熔化，得到母合金錠。整個(gè)熔煉過(guò)程在密封腔室中進(jìn)行，氣氛為純度大于99.999%的純氬氣氛，氣氛壓力為l個(gè)大氣壓。歩驟三，將歩驟二中所得的母合金錠破碎后取10克放入外徑為18mm的石英管中，采用感應(yīng)加熱重新熔化；在0.05MPa左右壓力下，熔體噴鑄入直徑為2mra，長(zhǎng)度為55mm銅模圓柱型腔內(nèi)，獲得快速凝固鎂合金材料。噴鑄專用設(shè)備中的氣氛如下先采用機(jī)械泵預(yù)抽真空(真空度5Pa)、然后分子泵抽高真空(真空度〈3xl0—:!Pa)后，充入高純氬氣至0.9atm。經(jīng)檢測(cè)和測(cè)試，該快速凝固鎂合金材料壓縮最高強(qiáng)度、塑性應(yīng)變量、密度、比強(qiáng)度分別為903Mpa、2.4%、2.90g/cm3、3.12X105Nm/kg，如表1所示。實(shí)施例2實(shí)施例6按實(shí)施例1的方法步驟制備各種配比的快速凝固鎂合金材料，其組分重量百分比和力學(xué)性能參數(shù)列于表l。表l快速凝固鎂合金材料機(jī)械性能(比較例為非晶合金)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例提供凝固鎂合金材料與鎂基非晶合金相比，其密度要低0.8g/cm3以上，塑性也明顯提高，尤其是比強(qiáng)度的提高很明顯，提高幅度為26%44%，所實(shí)施例的比強(qiáng)度均超過(guò)了國(guó)際上普遍認(rèn)定的250MPa/gcm—3超高強(qiáng)度鎂合金的性能指標(biāo)。圖1是本發(fā)明實(shí)施例1實(shí)施例6所得凝固鎂合金材料的圓柱樣品中間部位橫截面的X射線衍射分析譜。如圖所示，各個(gè)實(shí)施例提供快速凝固鎂合金材料的圖譜中，衍射峰在30-40之間存在饅頭峰，表明其含有非晶相或納米晶相，并含有-Mg，Mg2附和Mg,2Nd相。而比較例由單一非品相組成。權(quán)利要求1、一種快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金，其特征在于，其組分及其重量百分比為鎂49.8-69.6％、鎳11.2-18.3％、釓10.0-32.2％、釹0-15.0％。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金，其特征是，所述的鎂、銅、鎳、釓，其原料均為純度在99.9%以上。3、一種如權(quán)利要求1所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征在于，包括如下歩驟(1)將金屬鎂、金屬鎳、金屬釓、金屬釹配料；(2)將(l)中準(zhǔn)備好的原料混合，放入石墨坩堝由高頻感應(yīng)加熱熔煉，熔煉中，逐漸將感應(yīng)爐高頻感應(yīng)加熱電流由10安培增加至12安培，對(duì)原料的緩慢加熱，直至熔化，得到母合金錠；(3)將(2)中所得的母合金錠破碎后采用感應(yīng)加熱重新熔化，在0.05MPa左右壓力下，熔體噴鑄入直徑為2mm，高度為55mm銅模圓柱型腔內(nèi)，從而制得由銅模冷卻的快速凝固鎂合金材料。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征是，第(2)歩中，所述熔煉，其過(guò)程維持在25-30分鐘。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征是，第(2)步中，所述熔煉，其過(guò)程前10分鐘電流為10安培，接著10分鐘為11安培，最后后5-10分鐘電流為12安培。6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征是，第(2)步中，所述熔煉，在密封腔室中進(jìn)行，使用石墨坩堝，氣氛為氬純度大于99.999%的純氬氣氛，氣氛壓力為l個(gè)大氣壓。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征是，第(3)步中，所述熔化在密封型腔進(jìn)行，氣氛為氬純度大于99.99%的純氬氣氛，氣氛壓力為O.9個(gè)大氣壓。8、根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金的制備方法，其特征是，第(3)步中，所述銅模，直徑大于10厘米。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬材料
技術(shù)領(lǐng)域：
的快速凝固超高強(qiáng)度鎂合金材料及其制備方法。本發(fā)明提供的快速凝固鎂合金材料包括的組分及其重量百分比為鎂49.8-69.6％、鎳11.2-18.3％、釓10.0-32.2％、釹0-15.0％。本發(fā)明還提供了制備方法，具體為金屬鎂、鎳、釓、釹按規(guī)定重量百分比配料，在氬氣保護(hù)氣氛下，高頻感應(yīng)熔煉，直至熔化均勻，得到母合金錠；將上述母合金錠破碎后采用感應(yīng)加熱重新熔化后，經(jīng)銅模冷卻后獲得快速凝固鎂合金材料。該快速凝固鎂合金材料具有如下特點(diǎn)塑性好，密度低，比強(qiáng)度高，與鎂基非晶合金相比，比強(qiáng)度提高幅度最高達(dá)到44％，超過(guò)250MPa/g·cm^-3的超高強(qiáng)度鎂合金的性能水平。文檔編號(hào)C22B9/16GK101538671SQ20091004987公開(kāi)日2009年9月23日申請(qǐng)日期2009年4月23日優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日發(fā)明者丁文江,健尹,袁廣銀,褚振華申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)