專利名稱：具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種超細凝固組織的自生準晶增強合金及其制備方法，具體地說是一種具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法。
背景技術：
鎂合金具有優良導電性、導熱性、電磁屏蔽性能和高的比強度、比剛度、減震性等特點，是目前實際應用最輕的金屬結構材料，在航空航天、汽車和3C(計算機、通信及消費電子產品)等行業具有廣闊的應用前景。然而，鎂合金由于強度較低、韌性差、塑性加工困難好高溫蠕變性能差等問題，限制了其在工業上的進一步應用。因此，通過各種制備技術來提高鎂合金力學性能，擴大鎂合金應用范圍是鎂合金技術領域研發的重點。

自1984年美國國家標準局(NBS)謝切曼(D. shechtman)等人在急冷的Al-Mn合金中首次發現準晶以來，在鋁基、鎂基及其它合金中相繼發現了很多種準晶。1993年，我國北京航空材料研究所的羅治平等人首先確定了 Mg-Zn-Y合金中的Mg3Zn6Y三元相為二十面體準晶，并對Mg-Zn-RE系準晶進行了大量的研究工作。準晶相因具有獨特的原子排列結構，使其具有優異的機械性能和物理性能，如高強度、低摩擦系數、低熱導率、低電導率、抗氧化、耐腐蝕等。研究表明，細化組織是鎂合金最主要的強化方法之一，而作為增強相的準晶形貌、大小、數量和分布對鎂基合金的性能有著重要的影響，在鎂合金基體上彌散分布粒狀準晶相，有望獲得高性能準晶顆粒增強鎂基合金材料和復合材料。經檢索發現，在所公開的技術中，如CN 101705405 A公開了鎂基球形準晶中間合金及其制備方法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-Mn-Cu五元鎂基二十面體球形準晶中間合金，其化學成分為(wt. %) Mg 55.0 65.0%，Zn 30.0^40.0%, Y 2. 5 5. 5%，Mn
O.I (Tl. 50%, Cu O. 10 0· 50%。制備的球形準晶直徑為2 7，體積占總體積的35 45%。如，CN 101705406 A公開了鎂基球形準晶中間合金及其制備方法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-C四元鎂基二十面體球形準晶中間合金，其化學成分為(wt.%) Mg 55. 0 65· 0%, Zn 30. 0 40· 0%, Y 2. 5 5· 5%, C O. 10 0· 50%。制備的球形準晶直徑為2 7，體積占總體積的40 48%。如，CN 101705407 A公開了鎂基球形準晶中間合金及其制法，采用控制冷卻速率的方法制備了 Mg-Zn-Y-Ti四元鎂基二十面體球形準晶中間合金，其化學成分為(wt. %)Mg 55. 0 65· 0%, Zn 30. 0 40· 0%, Y 2. 5 5· 5%, Ti O. 10 0· 50%。制備的球形準晶直徑為6 IO，體積占總體積的30 40%。如，CN 102212727 A公開了一種自生準晶增強Mg-Ζη-Υ合金及熔煉方法，采用在熔體中加入Al-Ti-C的方法制備了自生準晶增強Mg-Zn-Y合金，其化學成分為(wt. %)Zn 3. (TlO. 0%, Y O. 5 3· 0%, Al-Ti-C O. 05 I. 0%。綜上所述，上述公開的專利技術內容主要是在普通凝固和快速凝固條件下制得的鎂基球形準晶中間合金，其所制備出的二十面體準晶相尺度均為級，而關于準晶尺度在級別的報道很少，尤其是對于在超高壓下制備具有超細凝固組織準晶增強Mg-6Zn-3Y合金未見有關報道。

發明內容
鑒于上述現狀，本發明的目的是提供一種具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y鎂合金，所制備的具有自生納米準晶及超細凝固組織的準晶增強鎂合金具有較高的力學性能及熱穩定性。本發明的另一目的是提供了該Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，在GPa級超高壓下，通過控制凝固壓力、加熱溫度和冷卻速率的方法制備具有超細凝固組織的準晶增強鎂合金。本發明解決技術問題所采取的技術方案是 具有超細凝固組織的準晶增強合金，其化學成分按質量百分數Wt%計為Mg 87. 0 93. 0%、Zn :3. 0 10. 0%、Υ :1.0 3.0%。所述超細凝固組織自生準晶增強鎂合金的制備方法，包括如下步驟
1、制備常壓下鑄態Mg-Zn-Y合金材料
取占原料總量質量百分數為91.0%的鎂錠、6. 0%的鋅錠、3. 0%的純釔，放入烘箱中在200°C下進行預熱烘烤，將坩堝電阻爐的加熱溫度設定為76(T780°C，當坩堝溫度升至350^4000C時，先向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，開始通入C02/SF6混合氣體作為保護氣，繼續升溫，待坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，再加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，在76(T780°C保溫1(Γ15分鐘，除去溶液表面浮渣，將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態合金材料，將鑄態合金材料進行充分擴散退火；
2、在GPa級超高壓下控制凝固壓力、加熱溫度及冷卻速率制備具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金
將步驟I獲得的Mg-6Zn-3Y合金材料進行線切割，加工成Φ4 x 5mm的高壓用試樣，并放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放入CS-IB型高壓六面頂壓機的行腔中，設定凝固壓力為6GPa，加熱溫度為1300°C，快速加熱到預設的加熱溫度，使得樣品完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有二十面體準晶相的超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金。在本發明中，具有超細凝固組織的準晶增強鎂合金，其鑄態組織特征是由粒狀準晶、α -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態組織中，α -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 μ m,粒狀準晶相為具有二十面體結構的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 μ m,粒狀準晶的體積約占該合金總體積的25 35%。在本發明中，所涉及的石墨組裝套，包括葉臘石內依次設置的氮化硼坩堝、石墨坩堝、WC增壓柱，所述石墨組裝套的六面對應有壓錘，將Mg-6Zn-3Y合金試樣放置在氮化硼坩堝內。本發明的有益效果是
一、本發明具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金制備方法的創新點之一是在GPa級超高下，通過控制凝固壓力、加熱溫度和凝固冷卻速率獲得所需合金材料。I、凝固壓力對超細枝晶組織的獲得有著極大的影響在GPa級高壓下凝固時，溶質擴散系數會呈指數倍減小，則在基體中容易形成溶質原子富集區，在晶體內部具有異質形核質點的存在大大增加了晶體形核率，同時晶體的生長速度還會受到抑制，所以在超高壓力下凝固，合金的枝晶組織得到顯著細化。2、加熱溫度對凝固組織也有較大影響，過高的加熱溫度不但會使凝固組織發生粗化，而且也使枝晶生長由等軸晶轉向柱狀晶。3、準晶相的形成存在一個最佳的凝固冷卻速率，冷卻速率過低會導致準晶相的長大，影響合金的性能，但過高的冷卻速率又會抑制準晶的形核，甚至無法得到準晶相。二、本發明具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn_3Y合金具有具有較高的性能和較好的熱穩定性。I、一方面α-Mg枝晶的二次枝晶間距由常壓下的40-50μπι減小到7_10 μ m，枝晶組織得到顯著的細化；另一方面，大量的、細小的粒狀準晶均勻彌散的分布在a -Mg基體上，致使該合金的顯微硬度可以達到HV89(常壓下為HV68)，比常壓下提高了 31% ;彈性模量由常壓下的68GPa減小到62GPa，顯示該何金具有較好的強度和良好的塑性。 2、將高壓下得到的具有超細凝固組織的準晶增強合金在200°C進行長時間時效處理，實驗結果顯示，該合金組織具有較好的熱穩定性。DSC檢測分析也顯示，高壓下得到的準晶開始溶解溫度較常壓下高5°C左右，并且熱焓值增大，這也表明高壓下獲得的準晶具有較好的熱穩定性。


圖I中的圖a為本發明顯示高壓下獲得Mg-6Zn_3Y合金組織為具有超細枝晶的凝固組織形貌，圖b顯示大量的呈粒狀的細小準晶均勻彌散的分布在鎂合金基體上；
圖2高壓用石墨組裝套截面示意圖。
具體實施例方式以下通過實施例對本發明的技術方案做進一步的描述。I、以熔體質量百分數機％計，稱取Mg :91. 0%、Zn: 6. 0%、Y:3. 0%;
2、將上述化質量百分數的鎂錠、鋅錠、純釔金屬爐料放入烘箱中在200°C下的坩堝中進行預熱烘烤；
3、將坩堝電阻爐的加熱溫度設定為780°C，當坩堝溫度升至380°C時，向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，并開始通入C02/SF6混合氣體作為保護氣，繼續升溫，待該坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，攪拌完成后在780°C保溫1(Γ15分鐘，待用；
4、將Mg-Zn-Y合金溶液溫度調整至760°C，靜置3飛分鐘后，除去溶液表面浮渣，再將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態合金材料，再將鑄態合金材料進行充分擴散退火；
5、將上述擴散退火后的Mg-6Zn-3Y鑄態合金材料進行線切割，加工成Φ4χ5πιπι的高壓用試樣；
6、將加工好的Φ4 X 5mm的Mg-6Zn_3Y試樣放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放在CS-IB型高壓六面頂的腔體位置，設定凝固壓力為6GPa，加熱溫度為1300°C，快速加熱到預設的加熱溫度，使得Φ4 X 5mm的Mg-6Zn_3Y試樣完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有二十面體準晶相、且具有超細凝固組織的 Mg-6Zn-3Y 合金。本實施例中，具有超細凝固組織的準晶增強鎂合金，其鑄態組織特征是由粒狀準晶、α -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態組織中，α -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 μ m,粒狀準晶相為具有二十面體結構的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 μ m,粒狀準晶的體積約占該合金總體積的25 35%。上述中所指的石墨組裝套，見圖2。所述的石墨組裝套，包括氮化硼坩堝4，和置于氮化硼坩堝4外部的石墨坩堝2，整體安裝在WC增壓柱3內，位于WC增壓柱3的對稱兩側設有葉臘石1，在所述石墨組裝套的六面設有壓錘6，將Mg-6Zn-3Y合金試樣5放置在石墨組裝套中的氮化硼坩堝4內。說明高壓凝固過程中溫度的測量方法采用細鉆頭在立方體大葉臘石塊直角處 打孔，直到接觸到試樣，然后將熱電偶絲放入并接觸到試樣，熱電偶的另一端為溫度記錄裝置。壓力的測量方法將電阻應變片通過粘合劑緊密的粘合在頂壓機基體上，當基體受力發生應變變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化，再將這種數據變化傳遞給處理電路，即可顯示六面頂壓機的加載壓力。冷卻速率的測量用X-Y記錄儀進行測量冷卻曲線，根據冷卻曲線計算冷卻速率。為了充分說明本發明所具有的效果，參見附圖。圖I為本實施制得的具有超細凝固組織及含有二十面體準晶相的Mg-6Zn_3Y合金的顯微組織形貌(SEM)。圖a顯示高壓下獲得Mg-6Zn_3Y合金組織為具有超細晶的凝固組織的枝晶形貌。圖b顯示大量的呈粒狀的細小準晶均勻彌散的分布在鎂合金基體上。
權利要求
1.ー種具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金，其特征在于化學成分按質量百分數 wt% 計為Mg 87. 0 93. 0%、Zn :3. 0 10. 0%、Y :0. 5 3. 0%。
2.用于權利要求I具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，包括如下步驟 (1)制備常壓下鑄態Mg-Zn-Y合金材料 取占原料總量質量百分數為91.0%的鎂錠、6. 0%的鋅錠、3. 0%的純釔，放入烘箱中在200°C下進行預熱烘烤；將坩堝電阻爐設定為加熱溫度為76(T780°C，當坩堝溫度升至350^4000C吋，向坩堝中加入鎂錠和鋅錠，開始通入C02/SF6混合氣體作為保護氣，繼續升溫，待坩堝中的鎂錠和鋅錠完全熔化后，加入純釔，待純釔完全熔化后攪拌2飛分鐘，在76(T780°C保溫1(T15分鐘，除去溶液表面浮渣，將Mg-Zn-Y合金溶液澆注于金屬模中，得到Mg-6Zn-3Y鑄態合金材料，然后將鑄態Mg_6Zn_3Y進行擴散退火； (2)在GPa級超高壓下控制凝固壓力、加熱溫度及凝固冷卻速率制備含有納米級粒狀準晶的具有超細凝固組織的Mg-6Zn-3Y合金 將步驟(I)的Mg-6Zn-3Y鑄態合金材料進行線切割，加工成0>4 x 5mm的高壓用試樣，放入石墨組裝套中，將石墨組裝套放在CS-IB型高壓六面頂的腔體位置，設定凝固壓カ為6GPa，加熱溫度為1300°C ;快速加熱到預設的加熱溫度，使得樣品完全熔化，并在該溫度下保溫保壓15min，控制凝固冷卻速率為300K/S，最終制得含有納米級準晶的超細凝固組織的 Mg-6Zn-3Y 合金。
3.根據權利要求2所述的具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金的制備方法，其特征在于鑄態組織特征是由粒狀準晶、a -Mg基體和Mg-Zn-Y三元相組成，在鑄態組織中，a -Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10 u m，粒狀準晶相為具有二十面體結構的I_Mg3Zn6Y相，其直徑為50-100 u m,粒狀準晶的體積約占該合金總體積的25 35%。
全文摘要
本發明公開了一種具有超細凝固組織的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金及其制備方法。其化學成分以質量百分數wt%計為Mg87.0~93.0%、Zn3.0~10.0%、Y0.5~3.0%，通過常壓下鑄態Mg-Zn-Y合金材料，在GPa級超高壓下控制凝固壓力、溫度及凝固冷卻速率制備含有納米級粒狀準晶的具有超細凝固組織的Mg-6Zn-3Y合金；其鑄態組織特征是在超細的α-Mg基體上均勻彌散分布著粒狀準晶，其中α-Mg枝晶的二次枝晶間距為7-10um，粒狀準晶直徑為50-100nm，粒狀準晶的體積約占該合金總體積的25~35%，本發明采用六面頂高壓機，控制凝固工藝參數，即凝固壓力為6GPa、凝固溫度為1300℃、凝固速率為300K/S。本發明的超細晶的準晶增強Mg-6Zn-3Y合金具有較高的力學性能和較好的熱穩定性。
文檔編號C22C23/04GK102766791SQ20121023976
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者葉杰, 周秀艷, 楊琳娟, 林小娉, 田莎莎, 董允, 鄭潤國 申請人:東北大學秦皇島分校