本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種調(diào)控鎂合金的長周期結(jié)構(gòu)相的方法。

背景技術(shù)：

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小，鑄造性能及切削加工性優(yōu)良、減振及阻尼性能好等特點(diǎn)，其在實(shí)現(xiàn)輕量化、降低能耗等方面有顯著的優(yōu)勢，在汽車、航空航天、電子技術(shù)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。但是，由于鎂合金強(qiáng)度低、塑性差、易被氧化侵蝕等基礎(chǔ)性問題，極大地限制了鎂合金的應(yīng)用，因此尋找有效的強(qiáng)化手段是開發(fā)高強(qiáng)鎂合金的關(guān)鍵問題。

鎂合金中長周期結(jié)構(gòu)(LPSO)本身強(qiáng)韌性好，硬度高，而且在較高溫度下仍能保持較好的穩(wěn)定性，對鎂合金綜合性能的提高有著顯著效果，因而受到人們極大地關(guān)注。長周期結(jié)構(gòu)有多種類型，一般分為6H、10H、14H、18R和24R，其中14H和18R兩種類型最為常見。不同類型的結(jié)構(gòu)在鎂合金中的分布、形態(tài)及尺寸不同，表現(xiàn)出來的性能也有所差異。因此找到一種控制LPSO相的方法，使其分布更均勻、形狀更規(guī)則、尺寸更小，才能最大限度地發(fā)揮其強(qiáng)化作用。徐志超等人提出的“一種LPSO相層狀復(fù)合鎂合金材料的制備方法”(CN104878230A)采用定向凝固的方法控制LPSO相的生長過程，得到一種具有單一方向的LPSO相層狀復(fù)合鎂合金材料。尹建等人提出了“一種長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鎂合金半固態(tài)漿料及其制備方法”(CN104152775A)，所制備的合金成分為2.2％Ni，5.8％Gd，5.3Nd％，余量為Mg。先將合金在氬氣氣氛下熔煉，凝固后得到母合金錠；再將制得的合金放入不銹鋼坩堝中重熔，然后在脈沖磁場作用下凝固制得長周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)鎂合金半固態(tài)漿料，最后得到分布較為均勻的LPSO相。滕新營等人提出的“一種鑄造Mg-Zn-Y鎂合金長周期結(jié)構(gòu)相的調(diào)控方法”(CN105112828A)將制備的Mg-Zn-Y合金進(jìn)行固溶及時(shí)效處理，合金中LPSO相變?yōu)榫鶆蚍植嫉募?xì)針狀，體積分?jǐn)?shù)最大為56.41％，細(xì)針狀結(jié)構(gòu)厚度最小為27.5nm。羅素琴等人提出的“一種高強(qiáng)度高塑性鎂合金”(CN104328320A)制得的合金元素含量為3.0-4.5％Ni、4.0-5.0％Y、0.01-0.1％Zr，余量為Mg以及不可避免的雜質(zhì)(≤0.15％)。熔煉后凝固得到的鑄件在470℃下均勻化退火16h后進(jìn)行熱擠壓，制得鎂合金棒材。得到的擠壓態(tài)合金中，LPSO相均勻分布于基體，部分發(fā)生了扭折變形，合金力學(xué)性能得到明顯提高，屈服強(qiáng)度、最大抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為300MPa，400MPa，7.8％。

從現(xiàn)有專利文獻(xiàn)來看，目前對鎂合金中LPSO相進(jìn)行調(diào)控的主要途徑有改變元素組成及含量、控制凝固過程、對制件進(jìn)行塑性變形加工及對制件進(jìn)行熱處理。其中，對合金凝固過程進(jìn)行控制，不僅能夠直接獲得高性能的鑄件，還可以均化鑄錠的初始組織，提高后續(xù)熱處理或者塑性變形對LPSO相的分布及形態(tài)的改善效果。合金凝固過程的控制方法主要包括變質(zhì)法、合金化法、外場作用法(如施加電磁場)、快速凝固法等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)控鎂合金中長周期結(jié)構(gòu)相的方法，該方法可以有效細(xì)化初生α-Mg晶粒與LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圓整度；并縮短α-Mg與LPSO相的生長時(shí)間，改善鑄件品質(zhì)。

本發(fā)明提供的一種調(diào)控鎂合金中長周期結(jié)構(gòu)相的方法，其特征在于，該方法利用超聲振動(dòng)對鎂合金熔體進(jìn)行處理，以細(xì)化初生α-Mg晶粒與LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圓整度；然后將熔體澆入預(yù)熱好的模具中，并加以壓力，使?jié)踩肽＞咧械娜垠w能夠快速凝固，縮短α-Mg與LPSO相的生長時(shí)間，以更有效地發(fā)揮超聲處理的作用，以進(jìn)一步細(xì)化α-Mg與LPSO相，改善鑄件品質(zhì)。

作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，該方法所用的合金成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，為1.0-2.8％Ni或Zn，2.0-3.8％Y，0.0-0.4％Zr，余量為Mg以及不可避免的雜質(zhì)，通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):

第一步按照設(shè)計(jì)的合金元素進(jìn)行配比，所用的Mg、Ni或Zn、Y、Zr分別為純鎂、純鎳或純鋅，Mg-(10～30％)Y和Mg-(10～30％)Zr中間合金；

第二步合金原料在760℃-790℃的溫度下進(jìn)行熔煉，整個(gè)過程持續(xù)通入N₂和SF₆混合氣體保護(hù)，其中SF₆的體積分?jǐn)?shù)為0.5-1.5％；

第三步原料完全熔化后，將熔體溫度降至730℃-760℃，通入氬氣進(jìn)行精煉，精煉結(jié)束后扒渣，保溫靜置；

第四步將熔體溫度降至710-730℃，用預(yù)熱好的容器盛金屬液，置于保溫爐中保溫，保溫溫度為合金液相線溫度以下10-30℃；

第五步待容器內(nèi)熔體溫度降至合金液相線溫度以上10℃-60℃時(shí)開始進(jìn)行超聲處理；超聲功率500-3000W，持續(xù)時(shí)間1min-5min；

第六步振動(dòng)結(jié)束后，將金屬液澆入預(yù)熱的模具中，合模后立即施加壓力，壓力大小為50-500MPa，保壓時(shí)間1min-3min。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，第三步中通入氬氣進(jìn)行精煉的持續(xù)時(shí)間為10-15min。

本發(fā)明方法中氬氣選用高純度的，一般說高純氬氣的純度是99.999％。

本發(fā)明在Mg-RE合金中加入Zn、Cu、Ni等元素，并滿足一定的比例時(shí)能生成大量的長周期結(jié)構(gòu)，本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有的Mg-X-RE(X＝Zn,Cu,Ni)系合金中長周期結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，通過改變Ni(或Zn)/Y元素的加入量設(shè)計(jì)合金成分，并結(jié)合超聲處理及較高壓力下的凝固來控制LPSO相的形態(tài)、尺寸及分布，以充分發(fā)揮其強(qiáng)化作用。經(jīng)過這種方法制備的合金中LPSO相的尺寸與未經(jīng)處理合金中LPSO相尺寸相比明顯減小，并且分布于晶內(nèi)的粗大層片狀LPSO相數(shù)量減少，而細(xì)針狀相增多，因此能有效強(qiáng)化合金，提高合金綜合性能，為制備高強(qiáng)度高韌性鎂合金提供一種新技術(shù)。具體而言，本發(fā)明有以下有益效果：

(1)本發(fā)明能夠打斷合金中的立體網(wǎng)狀LPSO相，減少其對鎂基體的割裂作用；

(2)本發(fā)明能夠消除晶界處塊狀的LPSO相，減小LPSO相的厚度，充分發(fā)揮其強(qiáng)化作用；

(3)超聲處理能降低成分偏析，使LPSO相均勻分布，提高鑄件性能的穩(wěn)定性；

(4)超聲振動(dòng)與壓力作用于合金的凝固過程，基體組織大幅細(xì)化。經(jīng)過處理后的熔體在壓力下凝固，冷卻速度快，能夠保留超聲處理得到的細(xì)小圓整的晶粒，提高合金強(qiáng)度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖：其中，1-熔煉爐；2-坩堝；3-通氣管；4-超聲變幅桿；5-保溫爐；6-凸模；7-凹模；

圖2是Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)合金直接澆鑄(a)與超聲處理后擠壓成形(b)顯微組織對比。

具體實(shí)施方式

對合金液施加超聲是一種綠色無污染的外場處理技術(shù)，超聲不僅能細(xì)化合金的初生相，還能改善二次相或共晶組織的形態(tài)和分布，近年來受到廣泛關(guān)注。對凝固過程中的合金施加壓力，可使合金與鑄型始終緊密接觸，提高冷卻速度，從而起到改善凝固組織的作用。將超聲振動(dòng)和壓力先后作用于凝固中的鎂合金，將大幅改善LPSO相的形態(tài)和分布。

本發(fā)明利用超聲振動(dòng)對鎂合金熔體進(jìn)行處理，然后將熔體澆入預(yù)熱好的模具中，使其在較高的壓力下凝固成形；本發(fā)明的主要思想是，超聲振動(dòng)是一種簡便、高效、無污染的技術(shù)，可以有效細(xì)化初生α-Mg晶粒與LPSO相，并且提高α-Mg晶粒的圓整度。但是經(jīng)過超聲處理后的熔體在模具中冷卻凝固時(shí)，原本細(xì)小而圓整的晶粒會(huì)繼續(xù)長大成為樹枝晶，降低合金性能；若澆入模具中的熔體能夠快速凝固，縮短α-Mg與LPSO相的生長時(shí)間，則能更有效地發(fā)揮超聲處理的作用，而擠壓鑄造成形能夠達(dá)到這一目的，并且可以進(jìn)一步細(xì)化α-Mg與LPSO相，改善鑄件品質(zhì)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明方法包括下述步驟：

第一步根據(jù)合金成分準(zhǔn)備原料。

第二步所有合金原料在干燥箱中進(jìn)行烘干預(yù)熱，溫度150-200℃，預(yù)熱時(shí)間10-30min。

第三步將預(yù)熱后的鎂錠放入圖1熔煉爐1內(nèi)的坩堝2中，升溫至500℃，保溫10-30min；整個(gè)熔煉過程均由通氣管3持續(xù)通入N₂和SF₆混合氣體保護(hù)，其中SF₆體積占比0.5-1.5％；

第四步繼續(xù)升溫至700℃，保溫；

第五步待鎂錠完全熔化后，將熔體升溫至750-770℃，加入剩余合金原料，保溫20-40min；

第六步將熔體繼續(xù)升溫至780℃，攪拌后保溫10min-40min；

第七步調(diào)節(jié)坩堝2內(nèi)的熔體溫度至730-760℃，通入高純氬氣進(jìn)行精煉，持續(xù)時(shí)間10min-15min；精煉后扒渣，靜置30-60min；

第八步將熔體降溫至710℃-730℃，待溫度穩(wěn)定后用預(yù)熱好的容器盛金屬液，置于保溫爐5中保溫，保溫溫度在液相線以下10-30℃，熔體冷卻速度0.1-3℃/s。

第九步待溫度冷卻至合金液相線溫度以上10-50℃時(shí)將超聲變幅桿4伸入金屬液中開始振動(dòng)，功率500-3000W，時(shí)間1-5min；

第十步振動(dòng)結(jié)束后，將金屬液澆入預(yù)熱凹模7中，然后立即降下凸模6進(jìn)行擠壓成形，模具預(yù)熱溫度200-300℃，擠壓壓力50-500Mpa，保壓時(shí)間1-3min。

實(shí)例：

實(shí)施例1

制備化學(xué)成分為Mg-2.8Ni-3.8Y-0.4Zr(wt.％)的合金。采用99.9％純鎂，99.9％純鎳，Mg-30％Y和Mg-30％Zr中間合金為原料，在200℃下烘干30min。將鎂錠放入熔煉爐1內(nèi)的坩堝2中，隨爐升溫至500℃后保溫10min，繼續(xù)升溫至700℃。待鎂錠全部熔化后將鎳屑加入熔體中，并升溫至770℃；鎳屑溶解后，加入Mg-30％Zr和Mg-30％Y中間合金并保溫30min；隨后升溫至780℃進(jìn)行攪拌。所有原料全部熔化后，調(diào)節(jié)熔體溫度，使熔體溫度穩(wěn)定在730℃后通入高純氬氣進(jìn)行精煉，調(diào)節(jié)氬氣流量保證金屬液不發(fā)生飛濺，持續(xù)時(shí)間12min，并扒除表面浮渣，靜置30min。整個(gè)熔煉過程均由通氣管3通入N₂和SF₆混合氣體保護(hù)。

調(diào)節(jié)熔體溫度至720℃，將金屬液倒入保溫爐5內(nèi)的容器中(保溫溫度630℃)，同時(shí)向爐膛內(nèi)通入氬氣保護(hù)。熔體溫度降至680℃后利用變幅桿4對金屬液進(jìn)行超聲振動(dòng)處理，超聲功率2500W，持續(xù)振動(dòng)120s后，熔體溫度降至640℃，將容器內(nèi)金屬液澆入凹模7中，模具提前預(yù)熱至270℃；然后立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力300MPa，保壓時(shí)間150s。實(shí)施例2

制備化學(xué)成分為Mg-1.4Zn-3.0Y-0.3Zr(wt.％)的合金。采用99.9％純鎂，99.9％純鋅，Mg-10％Y和Mg-20％Zr中間合金為原料，在150℃下烘干50min。先將鎂錠放入熔煉爐1內(nèi)的坩堝2中，隨爐升溫至500℃后保溫10min，繼續(xù)升溫至700℃。待鎂錠全部熔化后升溫至770℃，加入小塊狀鋅和Mg-30％Zr、Mg-30％Y合金并保溫30min；隨后升溫至780℃進(jìn)行攪拌。所有原料全部熔化后，調(diào)節(jié)熔體溫度至730℃，向其中通入高純氬氣進(jìn)行精煉，調(diào)節(jié)氬氣流量保證金屬液不發(fā)生飛濺，持續(xù)通氣10min，接著扒除表面浮渣，靜置30min。整個(gè)熔煉過程均由通氣管3通入N₂和SF₆混合氣體保護(hù)。

調(diào)節(jié)熔體溫度至710℃，待溫度穩(wěn)定后，將金屬液倒入保溫爐內(nèi)的容器中(保溫溫度為620℃)，同時(shí)向爐膛內(nèi)通入氬氣保護(hù)。熔體溫度降至665℃后利用變幅桿4對金屬液進(jìn)行超聲振動(dòng)處理，超聲功率1500W，持續(xù)振動(dòng)90s后，熔體溫度降至625℃，將容器內(nèi)金屬液澆入凹模7中，模具提前預(yù)熱至250℃；然后立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力400MPa，保壓時(shí)間90s。所得合金顯微組織如圖2(右)所示?？梢钥闯?，經(jīng)過超聲振動(dòng)及壓力下凝固得到的合金中LPSO相尺寸明顯減小，有利于提高合金綜合性能。

實(shí)施例3：

制備化學(xué)成分為Mg-1.0Ni-2.0Y(wt.％)的合金。采用99.9％純鎂，99.9％純鎳，Mg-20％Y中間合金為原料，在200℃下烘干60min。將鎂錠放入熔煉爐1內(nèi)的坩堝2中，隨爐升溫至500℃后保溫10min，繼續(xù)升溫至700℃。待鎂錠全部熔化后將鎳屑加入熔體中，并升溫至770℃，保溫30min；鎳屑溶解后，加入Mg-30％Y中間合金并保溫30min；隨后升溫至780℃進(jìn)行攪拌。所有原料全部熔化后，調(diào)節(jié)熔煉爐溫控，使熔體溫度穩(wěn)定在740℃，然后通入高純氬氣進(jìn)行精煉，調(diào)節(jié)氬氣流量保證金屬液不發(fā)生飛濺，持續(xù)時(shí)間15min，并扒除表面浮渣，靜置40min。整個(gè)熔煉過程均由通氣管3通入N₂和SF₆混合氣體保護(hù)。

調(diào)節(jié)熔體溫度至730℃，將金屬液倒入保溫爐內(nèi)的容器中(保溫溫度630℃)，同時(shí)向爐膛內(nèi)通入氬氣保護(hù)。熔體溫度降至700℃后利用變幅桿4對金屬液進(jìn)行超聲振動(dòng)處理，超聲功率2000W，持續(xù)振動(dòng)150s后，熔體溫度降至635℃，將容器內(nèi)金屬液澆入凹模7中，模具提前預(yù)熱至300℃；然后立即降下凸模6，擠壓金屬液獲得鑄件，擠壓壓力200MPa，保壓時(shí)間130s。

以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。