[发明专利]一种高强度高韧性镁合金及其制备工艺

说明书

技术领域    

本发明属于金属材料领域，具体涉及高强度高韧性镁合金，同时涉及一种该镁合金的制备工艺。

背景技术    

金属镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，具有比重最轻，加工能量性能优良，减振性能和磁屏蔽性能，高的比强度和比刚度，易于回收利用等优点，被称为“21世纪最具发展潜力和可持续发展的绿色工程材料”，引起国内外的高度关注。随着现代汽车工业、航天航空、电子工业、家用电器工业的快速发展，对镁合金的强度提出了更高的要求。镁合金的强度低于铝合金和钢铁材料，要拓宽镁合金的应用必须进一步提高镁合金的强度。能否和如何进一步从根本上改变超高强度镁合金的物理、化学和机械性能，对超高强度镁合金的研究和制备具有重要的意义。

镁中加入Zn可显著提高合金的屈服强度，并且其延伸率与Mg-Al系合金相近，具有良好的力学性能。但是Mg-Zn二元系合金的平衡结晶温度间隔较大，可达290℃，故此种合金在常规凝固条件下的铸造性能较差，容易出现枝晶粗大、区域偏析和热裂等缺陷。Mg-Zn-RE合金系是目前开发高强镁合金结构材料的一个热点，已有研究表明加入少量的稀土元素可以提高镁合金的流动性，细化晶粒，强化固溶体，在镁合金中生成弥散分布的金属间化合物，强化晶界，显著提高耐热强度。加入Y可以提高镁合金在室温和高温下的力学性能，同时可改善其抗腐蚀性能。在镁合金中添加稀土元素是提高其热强性的有效途径。稀土元素由于Mg-Zn-RE合金系具有异常的结构和物理性能，吸引了众多的研究目光。例如Mg-Zn-Y、Mg-Gd-Nd-Zr、Mg-Dy-Nd-Zr，Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Zn-Y-Re、和Mg–Cu–Zn–Y已经有了深入的研究，尤其Mg-Y-Re的研究，钇和稀土元素被认为是最有效的合金元素，Mg-Y-Re型镁合金工作温度在250℃以上。

Mg-Zn-Y合金系中钇的含量和锌和钇的比而使合金的组织结构发生较大的变化，为相选择和合金的复合强化提供了有利的条件。在凝固和热处理条件下Mg-Zn-Y-Zr合金系统中三元相主要有I-Mg₃YZn₆、W- Mg₃Y₂Zn₃、Z-Mg₁₂YZn、H-Zn₃MgY等，二元相主要有Mg₂₄Y₅，Mg₇Zn₃，MgZn₂，Mg₂Zn₁₁等，因此Mg-Zn-Y-Zr合金系的相选择比较复杂，且这些相的形态与分布对Mg–Zn–Y合金的组织和性能有很大的影响。上世纪90年代，学者主要研究高Zn，Y含量的（Mg含量在70～80％左右）的Mg-Zn-Y中间合金，主要是为了得到高含量的准晶I -Mg₃YZn₆相。D.H.Bae和Alok Singh等人在Mg-Zn-Y合金中进一步减少Mg和Y的含量，研究了不同的低Zn含量范围和不同的低Y含量范围内的准晶增强Mg-Zn-Y合金，并采用热轧工艺来改善准晶相的分布形态，提高合金的机械性能。

由于镁为密排六方结构，滑移系少，晶粒细化对提高合金力学性能的效果比体心立方与面心立方的效果更有效，同时根据Hall-Petch关系式，因镁合金的k值比铝合金的k值大，因此细化晶粒可以显著提高多晶镁及其镁合金的强度和延展性，是镁合金的主要强化方式之一。同时常用镁合金中一般存在着分布在晶界上粗大的第二相，降低了合金的塑性和强度，因此改善合金第二相的形态与分布也是提高合金性能的一种重要的方法。另一方面，合金的析出相可以阻碍滑移系的迁移，提高合金的强度，也是提高合金性能的一种方法。