[发明专利]一种高强高刚度镁合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高强高刚度镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。所述镁合金是由质量分数分别为50％～99％的Mg、0.4％～15％的Y、0.5％～49％的Gd和0.01％～1％的Zr组成，其硬度为1GPa～6GPa以及弹性模量为50GPa～200Gpa，通过调控各成分的含量使镁合金具有良好的强度、刚度以及耐蚀性，满足工程应用需求。另外，采用磁控溅射技术制备镁合金，可以一次制备多种不同合金成分梯度的镁合金，便于快速高效地优化和筛选出所需成分的镁合金，制备工艺简单，周期短，能够节约成本，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高强高刚度镁合金及其制备方法，属于镁合金材料技术领域。

背景技术

镁合金是一种具有轻质结构的材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、比模量高及良好的磁屏蔽性等性能被广泛应用于航空航天、军事、电子工业等领域。然而，镁合金仍面临的一些有待解决的问题：硬度和强度较低以及耐腐蚀性差等问题。由于上述问题严重制约了镁合金在工程上的应用，在能源极度紧张、武器系统减重的迫切需求的大背景下，亟需开发出抗冲击高强镁合金及其复合材料作为新型高性能装甲材料以代替高强钢或铝合金等材料。

Huseyin Z.和Yunus T(Huseyin Z.,Yunus T.Effect of Y addition onmicrostructure and corrosion behavior of extruded Mg–Zn–Nd–Zr alloy[J].Journal of Magnesium and Alloys,2020,8:640-653.)研究了Y对镁合金(Mg–Zn–Nd–Zr)组织和耐腐蚀性的影响，表明添加Y可以使晶粒细化，提高镁合金的强度，改善其力学性能，并且能提高其耐腐蚀性。Zhang(Y.Zhang,Y.Wu,L.Peng,et al.Microstructure evolutionand mechanical properties of an ultra-high strength casting Mg–15.6Gd–1.8Ag–0.4Zr alloy[J],Journal of AlloysCompounds.2014,615:703–711.)等人研究了在Mg-Gd基镁合金中由于Gd的强沉淀硬化作用而显示出很高的强度，Gd元素有利于提高镁合金的强度和硬度。Qian(M.Qian,D.H.StJohn,M.T.Frost,Characteristic zirconium-richcoring structures in Mg–Zr alloys[J],Scripta Materialia.2002,46:649–654.)等人研究表明了Zr元素可通过促进凝固过程中作为非均相成核核心的成核作用来细化晶粒，从而提高镁合金的强度等性能。

当前，虽在镁合金中添加稀土元素(RE)可以起到细化晶粒，提高强度，耐腐蚀性等性能，但是对于添加Y和重稀土元素Gd，合金的晶粒比较大，易形成晶间显微空洞和成分偏析。而且Gd原子质量比Mg大以及添加大量的稀土元素生产成本高，且削弱了镁合金轻质减重的效果。稀土元素的添加量并不是无限的，稀土的添加量过多时会造成偏聚，无法全部固溶到基体中，未固溶形成的第二相会在拉伸时对基体起到割裂的不利影响，因而开发高强度低合金化的Mg-RE系的镁合金具有重要的工程和科学意义。

另外，目前主要采用砂铸、永久铸模、压铸等铸造方法制备镁合金，然而这些铸法存在铸造缺陷、机械性能差、制造周期长和尺寸精度低的问题，并且无法制造非常复杂的结构以及无法对所制备的镁合金成分进行快速优化筛选。为了进一步扩展镁合金的应用，迫切需要开发新的制造方法，以达到快速优化和筛选，从而节约成本。

发明内容

针对目前镁合金强度和刚度较低以及耐蚀性差等问题，本发明提供一种高强高刚度镁合金及其制备方法，通过优化镁合金的成分以及各成分的含量，使镁合金具有良好的强度、刚度以及耐蚀性，满足工程应用需求；另外，采用磁控溅射技术制备镁合金，可以一次制备多种不同合金成分梯度的镁合金，便于快速高效地优化和筛选出所需成分的镁合金，制备工艺简单，能够节约成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。