[发明专利]一种高强度高塑性变形镁合金材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁合金，特别涉及一种高强度高塑性变形镁合金材料及制备方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料之一，具有高的比强度和比刚度，出色的尺寸稳定性和优良的减震性。同时，相比塑料，其回收性更胜一筹，无环境污染，被誉为“21世纪重要的绿色工程金属结构材料”。近年来，随着能源资源日趋紧张，镁合金有望在汽车、电子、电器、航天航空领域获得广泛应用。

低强度是限制镁合金广泛应用的关键，普通镁合金 ( 目前商用高强镁合金材料 Mg-Zn-Zr 合金，其典型的合金牌号如 ZK60，该合金抗拉强度只有 340MPa) 的绝对强度为 100-350Mpa，远低于钢的 1000Mpa 和铝合金的 600Mpa，严重影响镁合金的使用范围。为了发展高强度镁合金，通常在镁合金中加入大量的Gd，Y等重稀土元素，镁合金的强度大大提高，同时，通过时效处理可进一步提高合金的强度。T. Homma等人开发的Mg-10Gd-5.7Y-1.6Zn-0.6Zr合金，挤压态下其强度可达542MPa，屈服强度可达473MPa；C. Xu等人研究的Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr经过挤压，轧制，时效后其抗拉强度可达505MPa，屈服强度可达416MPa，Y. Kawamura等在材料学报 - 第 42 卷第 7 期第 1172 ～ 1176 页上发表的文章“Rapidly solidified powder metallurgy Mg97Zn1Y2alloys with excellent tensile yield strength above 600MPa” 中公开了一种采用快速冷却和粉末冶金 (RS P/M)技术制备的 Mg97Zn1Y2镁合金，该镁合金虽然强度高达 610MPa。虽然这些合金强度非常高，但是其塑性却不是非常理想，同时，由于大量重稀土元素的加入以及复杂的制备工艺，成本也大大提高，难以在工业上广泛应用。

在镁合金Mg-Y-Zn中，当Y/Zn的原子比大于1时，会生成LPSO相（长周期有序结构，最常见的有18R和14H型，化学式为Mg12YZn），能显著提高合金的力学性能。研究表明，降低层错能（SFE）可以产生更多的层错以及LPSO结构。合金元素对镁合金中的层错能有显著影响。在特定情况下，Zn和Y等元素能大大降低SFE，因此LPSO结构在Mg-Y-Zn合金中比较容易出现。但是，传统的Mg-Y-Zn合金中，如果只是通过退火和挤压的工序，LPSO结构并不能充分形成，因此其强度和塑性并不能得到充分的发挥，比如Mg-3Y-2Zn合金退火挤压后，虽然塑性能达到20%，但是抗拉强度仅有320MPa，而Mg-6Y-2Zn合金通过退火挤压后强度能达到360Mpa，但是塑性只有8%。而Y. Kawamura公布的Mg-6Y-2Zn合金虽然强度能达到600MPa，但是其加工制造成本太高，难以工业化生产。目前，要获得强度较高的Mg-Y-Zn合金必须通过复杂的工艺流程或者添加合适的微量元素。通过第一性原理的计算，Sn元素能显著降低镁合金中层错能，特别是基面{0001}<11-20>和锥面{11-22}<11-23>滑移系。因此，向Mg-Y-Zn中加入Sn不仅可以促进层错和LPSO相的生成，而且还能显著细化晶粒，同时，Sn还能与Zn，Y等元素结合生成含Sn的高温相，阻止位错滑移，提高力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高塑性变形镁合金材料及制备方法，本发明采用Sn元素及热处理对Mg-Y-Zn合金进行显微组织的调控，Sn元素能极大促进退火后Mg-Y-Zn合金中LPSO的形成，并生成一些高温合金相。热挤压后，晶粒显著细化，LPSO的高强度高韧性及含Sn的高温合金相的弥散强化作用能有效阻止热挤压过程中再结晶晶粒的长大，同时，在LPSO层状结构中析出的具有很高强度和塑性的Ｉ-相，大大提高了合金的强度以及塑性。热挤压后其抗拉强度达到400MPa，延伸率最高可达到19%，显著高于传统商用高强度ZK60变形镁合金，且成本相比于常用高强镁合金较低。本发明所述合金的制备方法简单，具有极大的应用潜力。

高强度高塑性变形镁合金各组分的重量百分含量为：Sn：0.1～0.5%；Zn：1.5～3.0%；Y:2.5～8.0%；不可避免的杂质≤0.10%；其余为Mg，该合金经退火处理和热挤压得到。

较好的技术方案是，所述合金中各组分的重量百分含量为：Sn 0.3~0.36%；Zn 1.96~2.0%；Y 3.0~6.0%；不可避免的杂质≤0.10%；余量为Mg。