專利名稱：具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超細(xì)凝固組織的自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)合金及其制備方法，具體地說是一種具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有優(yōu)良導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性能和高的比強(qiáng)度、比剛度、減震性等特點(diǎn)，是目前實(shí)際應(yīng)用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車和3C(計(jì)算機(jī)、通信及消費(fèi)電子產(chǎn)品)等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鎂合金由于強(qiáng)度較低、韌性差、塑性加工困難好高溫蠕變性能差等問題，限制了其在工業(yè)上的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，通過各種制備技術(shù)來提高鎂合金力學(xué)性能，擴(kuò)大鎂合金應(yīng)用范圍是鎂合金技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。

自1984年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)謝切曼(D. shechtman)等人在急冷的Al-Mn合金中首次發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶以來，在鋁基、鎂基及其它合金中相繼發(fā)現(xiàn)了很多種準(zhǔn)晶。1993年，我國北京航空材料研究所的羅治平等人首先確定了 Mg-Zn-Y合金中的Mg3Zn6Y三元相為二十面體準(zhǔn)晶，并對(duì)Mg-Zn-RE系準(zhǔn)晶進(jìn)行了大量的研究工作。準(zhǔn)晶相因具有獨(dú)特的原子排列結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的機(jī)械性能和物理性能，如高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、低熱導(dǎo)率、低電導(dǎo)率、抗氧化、耐腐蝕等。研究表明，細(xì)化組織是鎂合金最主要的強(qiáng)化方法之一，而作為增強(qiáng)相的準(zhǔn)晶形貌、大小、數(shù)量和分布對(duì)鎂基合金的性能有著重要的影響，在鎂合金基體上彌散分布粒狀準(zhǔn)晶相，有望獲得高性能準(zhǔn)晶顆粒增強(qiáng)鎂基合金材料和復(fù)合材料。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，在所公開的技術(shù)中，如CN 101705405 A公開了鎂基球形準(zhǔn)晶中間合金及其制備方法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-Mn-Cu五元鎂基二十面體球形準(zhǔn)晶中間合金，其化學(xué)成分為(wt. %) Mg 55.0 65.0%，Zn 30.0^40.0%, Y 2. 5 5. 5%，Mn
O.I (Tl. 50%, Cu O. 10 0· 50%。制備的球形準(zhǔn)晶直徑為2 7，體積占總體積的35 45%。如，CN 101705406 A公開了鎂基球形準(zhǔn)晶中間合金及其制備方法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-C四元鎂基二十面體球形準(zhǔn)晶中間合金，其化學(xué)成分為(wt.%) Mg 55. 0 65· 0%, Zn 30. 0 40· 0%, Y 2. 5 5· 5%, C O. 10 0· 50%。制備的球形準(zhǔn)晶直徑為2 7，體積占總體積的40 48%。如，CN 101705407 A公開了鎂基球形準(zhǔn)晶中間合金及其制法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-Ti四元鎂基二十面體球形準(zhǔn)晶中間合金，其化學(xué)成分為(wt. %)Mg 55. 0 65· 0%, Zn 30. 0 40· 0%, Y 2. 5 5· 5%, Ti O. 10 0· 50%。制備的球形準(zhǔn)晶直徑為6 IO，體積占總體積的30 40%。如，CN 102212727 A公開了一種自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Ζη-Υ合金及熔煉方法，采用在熔體中加入Al-Ti-C的方法制備了自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y合金，其化學(xué)成分為(wt. %)Zn 3. (TlO. 0%, Y O. 5 3· 0%, Al-Ti-C O. 05 I. 0%。綜上所述，上述公開的專利技術(shù)內(nèi)容主要是在普通凝固和快速凝固條件下制得的鎂基球形準(zhǔn)晶中間合金，其所制備出的二十面體準(zhǔn)晶相尺度均為級(jí)，而關(guān)于準(zhǔn)晶尺度在級(jí)別的報(bào)道很少，尤其是對(duì)于在超高壓下制備具有超細(xì)凝固組織準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金未見有關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y鎂合金，所制備的具有自生納米準(zhǔn)晶及超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金具有較高的力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性。本發(fā)明的另一目的是提供了該Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，在GPa級(jí)超高壓下，通過控制凝固壓力、加熱溫度和冷卻速率的方法制備具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是 具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)合金，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Wt%計(jì)為Mg 87. 0 93. 0%、Zn :3. 0 10. 0%、Υ :1.0 3.0%。所述超細(xì)凝固組織自生準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金的制備方法，包括如下步驟
1、制備常壓下鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金材料
取占原料總量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為91.0%的鎂錠、6. 0%的鋅錠、3. 0%的純釔，放入烘箱中在200°C下進(jìn)行預(yù)熱烘烤，將坩堝電阻爐的加熱溫度設(shè)定為76(T780°C，當(dāng)坩堝溫度升至350^4000C時(shí)，先向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，開始通入C02/SF6混合氣體作為保護(hù)氣，繼續(xù)升溫，待坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，再加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，在76(T780°C保溫1(Γ15分鐘，除去溶液表面浮渣，將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態(tài)合金材料，將鑄態(tài)合金材料進(jìn)行充分?jǐn)U散退火；
2、在GPa級(jí)超高壓下控制凝固壓力、加熱溫度及冷卻速率制備具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金
將步驟I獲得的Mg-6Zn-3Y合金材料進(jìn)行線切割，加工成Φ4 x 5mm的高壓用試樣，并放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放入CS-IB型高壓六面頂壓機(jī)的行腔中，設(shè)定凝固壓力為6GPa，加熱溫度為1300°C，快速加熱到預(yù)設(shè)的加熱溫度，使得樣品完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有二十面體準(zhǔn)晶相的超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金。在本發(fā)明中，具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金，其鑄態(tài)組織特征是由粒狀準(zhǔn)晶、α -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態(tài)組織中，α -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 μ m,粒狀準(zhǔn)晶相為具有二十面體結(jié)構(gòu)的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 μ m,粒狀準(zhǔn)晶的體積約占該合金總體積的25 35%。在本發(fā)明中，所涉及的石墨組裝套，包括葉臘石內(nèi)依次設(shè)置的氮化硼坩堝、石墨坩堝、WC增壓柱，所述石墨組裝套的六面對(duì)應(yīng)有壓錘，將Mg-6Zn-3Y合金試樣放置在氮化硼坩堝內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是
一、本發(fā)明具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金制備方法的創(chuàng)新點(diǎn)之一是在GPa級(jí)超高下，通過控制凝固壓力、加熱溫度和凝固冷卻速率獲得所需合金材料。I、凝固壓力對(duì)超細(xì)枝晶組織的獲得有著極大的影響在GPa級(jí)高壓下凝固時(shí)，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)會(huì)呈指數(shù)倍減小，則在基體中容易形成溶質(zhì)原子富集區(qū)，在晶體內(nèi)部具有異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)的存在大大增加了晶體形核率，同時(shí)晶體的生長速度還會(huì)受到抑制，所以在超高壓力下凝固，合金的枝晶組織得到顯著細(xì)化。2、加熱溫度對(duì)凝固組織也有較大影響，過高的加熱溫度不但會(huì)使凝固組織發(fā)生粗化，而且也使枝晶生長由等軸晶轉(zhuǎn)向柱狀晶。3、準(zhǔn)晶相的形成存在一個(gè)最佳的凝固冷卻速率，冷卻速率過低會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)晶相的長大，影響合金的性能，但過高的冷卻速率又會(huì)抑制準(zhǔn)晶的形核，甚至無法得到準(zhǔn)晶相。二、本發(fā)明具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn_3Y合金具有具有較高的性能和較好的熱穩(wěn)定性。I、一方面α-Mg枝晶的二次枝晶間距由常壓下的40-50μπι減小到7_10 μ m，枝晶組織得到顯著的細(xì)化；另一方面，大量的、細(xì)小的粒狀準(zhǔn)晶均勻彌散的分布在a -Mg基體上，致使該合金的顯微硬度可以達(dá)到HV89(常壓下為HV68)，比常壓下提高了 31% ;彈性模量由常壓下的68GPa減小到62GPa，顯示該何金具有較好的強(qiáng)度和良好的塑性。 2、將高壓下得到的具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)合金在200°C進(jìn)行長時(shí)間時(shí)效處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該合金組織具有較好的熱穩(wěn)定性。DSC檢測(cè)分析也顯示，高壓下得到的準(zhǔn)晶開始溶解溫度較常壓下高5°C左右，并且熱焓值增大，這也表明高壓下獲得的準(zhǔn)晶具有較好的熱穩(wěn)定性。


圖I中的圖a為本發(fā)明顯示高壓下獲得Mg-6Zn_3Y合金組織為具有超細(xì)枝晶的凝固組織形貌，圖b顯示大量的呈粒狀的細(xì)小準(zhǔn)晶均勻彌散的分布在鎂合金基體上；
圖2高壓用石墨組裝套截面示意圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的描述。I、以熔體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)機(jī)％計(jì)，稱取Mg :91. 0%、Zn: 6. 0%、Y:3. 0%;
2、將上述化質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的鎂錠、鋅錠、純釔金屬爐料放入烘箱中在200°C下的坩堝中進(jìn)行預(yù)熱烘烤；
3、將坩堝電阻爐的加熱溫度設(shè)定為780°C，當(dāng)坩堝溫度升至380°C時(shí)，向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，并開始通入C02/SF6混合氣體作為保護(hù)氣，繼續(xù)升溫，待該坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，攪拌完成后在780°C保溫1(Γ15分鐘，待用；
4、將Mg-Zn-Y合金溶液溫度調(diào)整至760°C，靜置3飛分鐘后，除去溶液表面浮渣，再將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態(tài)合金材料，再將鑄態(tài)合金材料進(jìn)行充分?jǐn)U散退火；
5、將上述擴(kuò)散退火后的Mg-6Zn-3Y鑄態(tài)合金材料進(jìn)行線切割，加工成Φ4χ5πιπι的高壓用試樣；
6、將加工好的Φ4 X 5mm的Mg-6Zn_3Y試樣放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放在CS-IB型高壓六面頂?shù)那惑w位置，設(shè)定凝固壓力為6GPa，加熱溫度為1300°C，快速加熱到預(yù)設(shè)的加熱溫度，使得Φ4 X 5mm的Mg-6Zn_3Y試樣完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有二十面體準(zhǔn)晶相、且具有超細(xì)凝固組織的 Mg-6Zn-3Y 合金。本實(shí)施例中，具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金，其鑄態(tài)組織特征是由粒狀準(zhǔn)晶、α -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態(tài)組織中，α -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 μ m,粒狀準(zhǔn)晶相為具有二十面體結(jié)構(gòu)的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 μ m,粒狀準(zhǔn)晶的體積約占該合金總體積的25 35%。上述中所指的石墨組裝套，見圖2。所述的石墨組裝套，包括氮化硼坩堝4，和置于氮化硼坩堝4外部的石墨坩堝2，整體安裝在WC增壓柱3內(nèi)，位于WC增壓柱3的對(duì)稱兩側(cè)設(shè)有葉臘石1，在所述石墨組裝套的六面設(shè)有壓錘6，將Mg-6Zn-3Y合金試樣5放置在石墨組裝套中的氮化硼坩堝4內(nèi)。說明高壓凝固過程中溫度的測(cè)量方法采用細(xì)鉆頭在立方體大葉臘石塊直角處 打孔，直到接觸到試樣，然后將熱電偶絲放入并接觸到試樣，熱電偶的另一端為溫度記錄裝置。壓力的測(cè)量方法將電阻應(yīng)變片通過粘合劑緊密的粘合在頂壓機(jī)基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)變變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化，再將這種數(shù)據(jù)變化傳遞給處理電路，即可顯示六面頂壓機(jī)的加載壓力。冷卻速率的測(cè)量用X-Y記錄儀進(jìn)行測(cè)量冷卻曲線，根據(jù)冷卻曲線計(jì)算冷卻速率。為了充分說明本發(fā)明所具有的效果，參見附圖。圖I為本實(shí)施制得的具有超細(xì)凝固組織及含有二十面體準(zhǔn)晶相的Mg-6Zn_3Y合金的顯微組織形貌(SEM)。圖a顯示高壓下獲得Mg-6Zn_3Y合金組織為具有超細(xì)晶的凝固組織的枝晶形貌。圖b顯示大量的呈粒狀的細(xì)小準(zhǔn)晶均勻彌散的分布在鎂合金基體上。
權(quán)利要求
1.ー種具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金，其特征在于化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù) wt% 計(jì)為Mg 87. 0 93. 0%、Zn :3. 0 10. 0%、Y :0. 5 3. 0%。
2.用于權(quán)利要求I具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，包括如下步驟 (1)制備常壓下鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金材料 取占原料總量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為91.0%的鎂錠、6. 0%的鋅錠、3. 0%的純釔，放入烘箱中在200°C下進(jìn)行預(yù)熱烘烤；將坩堝電阻爐設(shè)定為加熱溫度為76(T780°C，當(dāng)坩堝溫度升至350^4000C吋，向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，開始通入C02/SF6混合氣體作為保護(hù)氣，繼續(xù)升溫，待坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，在76(T780°C保溫1(T15分鐘，除去溶液表面浮渣，將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態(tài)合金材料，然后將鑄態(tài)Mg_6Zn_3Y進(jìn)行擴(kuò)散退火； (2)在GPa級(jí)超高壓下控制凝固壓力、加熱溫度及凝固冷卻速率制備含有納米級(jí)粒狀準(zhǔn)晶的具有超細(xì)凝固組織的Mg-6Zn-3Y合金 將步驟(I)的Mg-6Zn-3Y鑄態(tài)合金材料進(jìn)行線切割，加工成0>4 x 5mm的高壓用試樣，放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放在CS-IB型高壓六面頂?shù)那惑w位置，設(shè)定凝固壓カ為6GPa，加熱溫度為1300°C ;快速加熱到預(yù)設(shè)的加熱溫度，使得樣品完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有納米級(jí)準(zhǔn)晶的超細(xì)凝固組織的 Mg-6Zn-3Y 合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，其特征在于鑄態(tài)組織特征是由粒狀準(zhǔn)晶、a -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態(tài)組織中，a -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 u m，粒狀準(zhǔn)晶相為具有二十面體結(jié)構(gòu)的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 u m,粒狀準(zhǔn)晶的體積約占該合金總體積的25 35%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有超細(xì)凝固組織的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法。其化學(xué)成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)wt%計(jì)為Mg87.0~93.0%、Zn3.0~10.0%、Y0.5~3.0%，通過常壓下鑄態(tài)Mg-Zn-Y合金材料，在GPa級(jí)超高壓下控制凝固壓力、溫度及凝固冷卻速率制備含有納米級(jí)粒狀準(zhǔn)晶的具有超細(xì)凝固組織的Mg-6Zn-3Y合金；其鑄態(tài)組織特征是在超細(xì)的α-Mg基體上均勻彌散分布著粒狀準(zhǔn)晶，其中α-Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10um，粒狀準(zhǔn)晶直徑為50-100nm，粒狀準(zhǔn)晶的體積約占該合金總體積的25~35%，本發(fā)明采用六面頂高壓機(jī)，控制凝固工藝參數(shù)，即凝固壓力為6GPa、凝固溫度為1300℃、凝固速率為300K/S。本發(fā)明的超細(xì)晶的準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-6Zn-3Y合金具有較高的力學(xué)性能和較好的熱穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C22C23/04GK102766791SQ20121023976
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者葉杰, 周秀艷, 楊琳娟, 林小娉, 田莎莎, 董允, 鄭潤國 申請(qǐng)人:東北大學(xué)秦皇島分校