CN109161770A

CN109161770A - 一种高模量镁合金及其制备方法

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Publication number: CN109161770A
Application number: CN201811409122.0A
Authority: CN
Inventors: 陈先华; 赵娣; 涂腾; 潘复生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109161770B

Abstract

本发明公开了一种高模量镁合金及其制备方法，所述镁合金包括以下重量百分含量的组分：Y：0~19.5 wt.%、Gd：0~13wt.%、Zn：0~2wt.%、Ni：0~3.0 wt.%、Al：4~6wt.%、Li：3~6 wt.%、Zr：0.3~0.6 wt.%，Ag：0~2wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。在合金体系中，添加铝，锂元素，在凝固过程中生成平衡沉淀相AlLi相，该相可以极大提高合金的弹性模量；除该相之外，锆与铝反应生成Al₃Zr相，稀土元素Y和Gd在合金中生成大量第二相，这都在一定程度上提高了合金的弹性模量。并且通过固溶时效后，合金析出更多的沉淀相AlLi相，这促使合金的弹性模量被进一步提升，弹性模量高达52~55Gpa，能满足工程领域对轻质高模镁合金材料的需求，在航空航天领域具有良好的应用前景。

Description

一种高模量镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别的涉及一种高模量镁合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着新一代航空航天材料对构件刚度的要求越来越高，发展高模量高性能合金已成为一大研究热点。镁合金是目前应用中最轻的金属结构材料，具有密度低，比强度和比刚度高等优点，被广泛应用于航空航天、电子、汽车、通讯等领域。然而由于镁合金弹性模量低（仅为40~45GPa），导致其在工程应用中抗弹性变形能力差，不能满足工程领域对轻质高模镁合金材料的需求，这极大地阻碍了镁合金在航空航天领域中应用的进一步发展。因此，研发高模量轻质镁合金已变得非常迫切。

近年来，Lu L, Thong KK, Wang Y, Ma BX et al.等人研究发现在镁合金中含有Mg₂Si（120GPa）粒子可以有效提升镁合金的弹性模量。X. M. Zhang等在性能较稳定的Mg-Gd-Y系合金中添加Si，生成的高模量Gd₅Si₃和YSi₂粒子在一定程度上提高了镁合金的弹性模量，但模量提升不明显，并且Si在铸造过程中不易添加。Ali Arslan Kaya等人研究的Mg-10Al-5Zn-2Sn-2Pb和Mg-2Y-1Pb镁合金的弹性模量也仅分别达到~45GPa和~52GPa。因此，需要研发其它体系轻质高模量镁合金以满足工程领域中多样化的需求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高模量镁合金及其制备方法，解决现有镁合金弹性模量低，不能满足工程领域的需求。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种高模量镁合金，包括以下重量百分含量的组分：Y：0~19.5 wt.%、Gd：0~13wt.%、Zn：0~2wt.%、Ni：0~3.0 wt.%、Al：4~6wt.%、Li：3~6 wt. %.、Zr：0.3~0.6 wt.%，Ag：0~2wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

进一步，高模量镁合金包括以下重量百分含量的组分：Y：8~19.5 wt.%、Gd：0~13wt.%、Zn：0~2wt.%、Ni：0~3.0 wt.%、Al：4~6wt.%、Li：3~6 wt. %、Zr：0.3~0.6 wt.%，Ag：0~2wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。高含量的稀土元素Y可以产生大量第二相，对弹性模量的提高具有一定的促进作用，但过多的稀土元素Y需要提高成本。

上述高模量镁合金的制备方法，包括依次进行真空熔炼和热处理两个步骤。

进一步，还包括机加工和时效处理，具体包括以下步骤：

1）真空熔炼：按上述高模量镁合金重量百分含量的组分进行计算配料，并将所述组分在含有氩气保护的电磁感应熔炉中熔炼，首先在4~6KW保温2~5min，然后升至14~18KW保温7~12min，待其全部熔化后，置于盐水中冷却后得到镁合金铸锭；

2）热处理：将步骤1）得到的镁合金铸锭置于热处理炉中进行高温均匀化处理，完成后将所述镁合金铸锭水冷至室温；

3）机加工：将步骤2）均匀化处理后的镁合金铸锭加工至指定尺寸，备用；

4）时效处理：将步骤3）机加工后的镁合金铸锭在200~225℃时效处理6~12 h，然后空冷至室温，即得到高模量镁合金。

这样，采用真空熔炼，烧损率小，熔炼结束后采用水冷，促使成品合金材料形成细晶组织，提高其铸态力学性能。进一步，通过时效热处理，合金析出更多的沉淀相AlLi相，这促使合金的弹性模量被进一步提升，制备的镁合金材料具有高模量。

进一步，所述高温均匀化处理包括以下步骤：以15~20℃/min的速度升温至500~540℃，然后恒温保温12~16 h。

进一步，所述真空熔炼时真空度为1.8~1.9×10^-2KPa；熔炼时间为9~17min。

进一步，所述元素Y、Gd和Zr分别以Mg-30%Y中间合金、Mg-30%Gd中间合金和Mg-30%Zr中间合金为原料，所述元素Mg、Ni、Al、Li、Ag和Zn分别以工业纯镁锭、纯镍块、纯铝片、纯锂、纯银和纯锌为原料。

本发明改善合金模量的机理：在镁合金中添加铝，锆，锂元素，在凝固过程中生成平衡沉淀相AlLi相和Al₃Zr相，该相可以极大提高合金的弹性模量；除此之外，Li的加入可能会改变合金的电子结构，引起合金中原子成键方式以及键强的变化，从而导致合金弹性模量的显著变化。此外，镍与铝反应生成Al₃Ni₂相，稀土元素Y，Gd，Zn在合金中生成大量第二相，Ag能显著细化晶粒，这都在一定程度上提高了合金的弹性模量。并且通过固溶时效后，合金析出更多的沉淀相AlLi相，这促使合金的弹性模量被进一步提升。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的铸态镁合金具有较好的力学性能，强度高达248MPa，弹性模量比纯镁提高了26%左右；通过固溶和时效处理，合金析出更多的沉淀相AlLi相，使该合金在室温条件下弹性模量高达52~55Gpa，能满足工程领域对轻质高模镁合金材料的需求，在航空航天领域具有良好的应用前景。

2、本发明通过在镁合金中添加合金元素（Y、Gd、Ni、Zn、Al、Li、Ag或Zr），再配合热处理工艺来实现镁合金的高模量。本发明可利用常规的通用设备即可实现，操作简单，工艺设计合理、流程短。该合金体系中所用的原料均为常规元素，并且通过固溶和时效即可获得具有更高模量的铸造镁合金，提高了生产效率，有利于大规模工业化应用。

附图说明

图1为实施例制备的高模量镁合金的SEM微观组织照片；

A为实施例1；B为实施例2；C为实施例3；D为实施例4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。以下实施例各组分均按重量百分比。

实施例1

所用镁合金包括以下重量百分含量的组分：15.5 wt.%Y，1.8 wt.%Ni，6 wt.%Al，4wt.%Li，0.4 wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

1）以工业纯镁锭、纯镍块、纯铝片、纯锂、Mg-30%Y中间合金、Mg-30%Zr中间合金为原料进行计算配料；并将上述组分在含有氩气保护的电磁感应熔炉中真空熔炼，真空度为1.8~1.9×10^-2KPa，首先在5KW保温2min，然后升至15KW保温10min，待其全部熔化后，置于盐水中冷却后得到镁合金铸锭；

2）将铸态Mg-Y-Ni-Al-Li-Zr系镁合金置于热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15~20℃/min，加热到500℃，保温12h，完成后将铸锭水冷至室温；

3）将步骤2)得到的镁合金铸锭机加工至指定尺寸，得到尺寸长40mm，宽15mm，厚3mm的长方体备用，得到镁合金型材；

4）将步骤3）机加工后的镁合金铸锭在热处理炉中进行时效处理，时效温度为200℃，保温时间为6~12h，然后空冷至室温，即得到高模量镁合金。

实施例2

所用镁合金包括以下重量百分含量的组分：8 wt.%Y，6 wt.%Al，4 wt.%Li，0.4 wt.%Zr，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

4）将步骤3）机加工后的镁合金铸锭在热处理炉中进行时效处理，时效温度为215℃，保温时间为6~12h，然后空冷至室温，即得到高模量镁合金。

实施例3

所用镁合金包括以下重量百分含量的组分：12.0 wt.%Gd，1.0 wt.%Zn，0.5 wt.%Zr，0.5 wt.%Ag，4 wt.%Al，3 wt.%Li，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

1）以工业纯镁锭、纯铝片、纯锌、纯银、纯锂、Mg-30% Gd中间合金、Mg-30%Zr中间合金为原料进行计算配料；并将上述组分在含有氩气保护的电磁感应熔炉中真空熔炼，真空度为1.8~1.9×10^-2KPa，首先在6KW保温2min，然后升至15KW保温10min，待其全部熔化后，置于盐水中冷却后得到镁合金铸锭；

2）将铸态Mg- Gd -Al-Li-Ag-Zr-Zn系镁合金置于热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15~20℃/min，加热到520℃，保温14h，完成后将铸锭水冷至室温；

实施例4

所用镁合金包括以下重量百分含量的组分：12.0 wt.%Gd，1.0 wt.%Zn，0.5 wt.%Zr，0.5 wt.%Ag，6 wt.%Al，5 wt.%Li，余量为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

1）以工业纯镁锭、纯铝片、纯银、纯锌、纯锂、Mg-30%Gd中间合金、Mg-30%Zr中间合金为原料进行计算配料；并将上述组分在含有氩气保护的电磁感应熔炉中真空熔炼，真空度为1.8~1.9×10^-2KPa，首先在4KW保温2min，然后升至18KW保温10min，待其全部熔化后，置于盐水中冷却后得到镁合金铸锭；

2）将铸态Mg-Gd-Zn-Zr-Ag-Al-Li系镁合金置于热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15~20℃/min，加热到540℃，保温12h，完成后将铸锭水冷至室温；

4）将步骤3）机加工后的镁合金铸锭在热处理炉中进行时效处理，时效温度为225℃，保温时间为6~12h，然后空冷至室温，即得到高模量镁合金。

二、性能验证

1、将实施例1~4制备的镁合金进行SEM微观组织观察，结果如图1所示。

以上实例中获得的试样材料上表面进行扫描电镜微观组织发现组织致密、晶粒细小，且图a和图b的合金晶粒尺寸明显小于图c和图d的合金晶粒尺寸。在图中零散分布着较大的粒子，经能谱确定该粒子为Al₂Y相。同样，花瓣状的第二相经XRD和能谱分析确定该相为Mg₂₄Y和Mg₂₄Gd, 大量Mg₂₄Y和Mg₂₄Gd相的存在，在一定程度上也提高镁合金的弹性模量。

2、对实施例1~4制备的铸态镁合金（未经时效处理）和纯镁进行力学性能测试，结果如表1所示。

表1

合金材料	弹性模量（GPa）	机械性能（MPa）
			实施例1	52.4±0.1	228.3±3.2
实施例2	51.3±0.03	241.7±4.5
			实施例3	49.4±0.1	189.2±2.8
实施例4	51.1±0.1	197.2±1.3
			纯镁	41.2±0.5	93.3±16.5

从表1可以看出，本发明制备的铸态镁合金的弹性模量值均明显高于纯镁，约提高了27%。本发明制备的铸态镁合金的力学性能能够达到241.7±4.5 MPa。

3、将实施例1和2制备的时效态镁合金进行弹性模量测试。结果如表2所示。

表2本发明所述合金材料时效态弹性模量

合金材料	实施例1	实施例2	纯镁
				弹性模量（GPa）	52.6±0.3	54.8±0.1	41.2±0.5

从表2可以看出，通过时效处理后，可以进一步的提高铸态镁合金的弹性模量。其中实施例2中镁合金的弹性模量高达~55GPa，高出纯镁~14GPa。

本发明镁合金的弹性模量的提升归因于镁合金中添加的铝，锂元素，在凝固过程中生成平衡沉淀相AlLi相，该相可以极大提高合金的弹性模量；除此之外，Li的加入可能会改变合金的电子结构，引起合金中原子成键方式以及键强的变化，从而导致合金弹性模量的显著变化。并且通过固溶时效后，合金析出更多的沉淀相AlLi相，这促使合金的弹性模量被进一步提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种高模量镁合金，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：Y：0~19.5 wt.%、Gd：0~13wt.%、Zn：0~2wt.%、Ni：0~3.0 wt.%、Al：4~6wt.%、Li：3~6 wt. %、Zr：0.3~0.6 wt.%，Ag：0~2wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

2.根据权利要求1所述高模量镁合金，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：Y：8~19.5 wt.%、Gd：0~13wt.%、Zn：0~2wt.%、Ni：0~3.0 wt.%、Al：4~6wt.%、Li：3~6 wt. %、Zr：0.3~0.6 wt.%，Ag：0~2wt.%，其余为Mg和不可避免的杂质，杂质总量小于0.12 wt.%。

3.如权利要求1~2任一项所述高模量镁合金的制备方法，其特征在于，包括依次进行真空熔炼和热处理两个步骤。

4.根据权利要求3所述高模量镁合金的制备方法，其特征在于，还包括机加工和时效处理，具体包括以下步骤：

1）真空熔炼：按权利要求1~2中任一项所述高模量镁合金重量百分含量的组分进行计算配料，并将所述组分在含有氩气保护的电磁感应熔炉中熔炼，首先在4~6KW保温2~5min，然后升至14~18KW保温7~12min，待其全部熔化后，置于盐水中冷却后得到镁合金铸锭；

3）机加工：将步骤2）热处理后的镁合金铸锭加工至指定尺寸，备用；

5.根据权利要求4所述高模量镁合金的制备方法，其特征在于，所述高温均匀化处理包括以下步骤：以15~20℃/min的速度升温至500~540℃，然后恒温保温12~16 h。

6.根据权利要求4所述高模量镁合金的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼时真空度为1.8~1.9×10^-2KPa；熔炼时间为9~17min。

7.根据权利要求4所述高模量镁合金的制备方法，其特征在于，所述元素Y、Gd和Zr分别以Mg-30%Y中间合金、Mg-30%Gd中间合金和Mg-30%Zr中间合金为原料，所述元素Mg、Ni、Al、Li、Ag和Zn分别以工业纯镁锭、纯镍块、纯铝片、纯锂、纯银和纯锌为原料。