[发明专利]一种多尺度析出强化镁合金材料的制备方法

说明书

一种多尺度析出强化镁合金的制备方法，包含：制屑、混屑、预压实、挤压、多尺度析出等工序，其特征在于：选用两种或两种以上不同时效硬化行为的镁合金，充分混合它们的碎屑后进行热塑性变形，通过高温、高应变时效碎屑的机械合金化，获得致密、多合金成分尺度的混合的坯料。通过时效热处理，使异构镁合金材料发生多尺度析出，获得综合性能优异的高强高韧镁合金材料。

技术领域

本发明涉及多尺度析出强化镁合金的制备技术，具体是一种通过异种碎屑混合的方法，配合以特定的塑性变形和热处理调控微观结构，制备大块多尺度析出强化镁合金的技术。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，在国防军事、航空航天、汽车、电子通信等领域中正得到日益广泛的应用。相比于铝合金、钛合金等其他轻金属结构材料，镁合金的强度和韧性都较差。大量研究表明，通过添加稀土合金元素，引入析出强化，是目前镁合金最有效的强化机制之一。稀土元素在镁合金基体中形成高密度纳米级的析出相，对位错运动产生强烈的阻碍作用，从而大幅度的提高镁合金的强度。此外，析出强化镁合金的析出相，在高温时比晶界的稳定性更高，因此，析出强化的镁合金在高温变形时，往往具有更高，更稳定的力学性能。但是，已有的研究结果表明，金属材料中位错的产生具有显著的尺寸效应。以纳米晶为例，当晶粒尺寸小于100nm时，纳米晶内部就很难产生大量的位错。而时效强化镁合金的析出相的间距通常只有几十纳米，弥散分布的析出相将粗大的晶粒分割成许多纳米单元，在这些单元里位错难以形成和运动。因此，通过时效析出强化的镁合金材料的韧性会出现大幅降低，大大限制了析出强化镁合金在实际生产中的应用。

经对现有技术的文献检索发现，X.L.Ma等人在《Scripta Materialia》材料快报，2015，103：57-60上发表的“Strain hardening and ductility in a coarse-grain/nanostructure laminate material”(粗晶/纳米晶层片状材料的应力硬化和韧性研究)一文中，介绍了一种利用高压扭转变形制备层片状Cu合金材料，并通过热处理获得粗晶/纳米晶的多晶粒尺度结构，其中纳米晶层的晶粒尺寸为100nm左右，而粗晶层的晶粒尺寸为4μm。该技术的特点如下：(1)制备的材料界面结合质量好；(2)制得的板材的拉伸性能在维持纳米晶Cu的高强度，同时由于其还具备超强的应变硬化能力，使该材料还在一定程度上保持了粗晶Cu的优异的均匀延伸率。该技术在一定程度上解决了纳米晶Cu因位错尺寸效应而导致低韧性。但是，由于镁合金本身的变形能力很差，通过高压扭转制备层片状镁合金需要在高温下进行，技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高温易于使晶粒尺寸发生长大，无法得到纳米级或亚微米级的晶粒；(3)高压扭转获得的样品尺寸太小，并且对设备、模具的要求很高；(4)层片状多尺度材料的强韧化性能具有明显的方向性，限制了其在很多对多向受力有要求的部件上的应用。

进一步检索发现，X.L.Wu等人在《Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America》美国科学院院报，2015，47：14501-14505上发表的“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength withcoarse-grain ductility”(高强高韧粗细晶混合层片状结构材料)一文中，介绍了一种通过变形和热处理等工艺，调控纯Ti的微观结构至超细晶与粗晶混合的状态，综合利用超细晶的超高强度和粗晶的超高韧性，以及由粗细两种不同结构变形行为不一致性诱发的背应力强化，制备出强度接近1GPa，均匀延伸率10％左右的高强高韧纯Ti板材。该技术的特点是：(1)、制得的多晶粒尺度块体板材，不存在界面氧化夹杂等问题；(2)、通过不同工艺控制混晶的比例、层厚等微观结构，从而获得不同力学性能的高强高韧Ti板材。但是，这种方式制备的混晶材料组元较为单一，且耐热性较差。

发明内容