一種高溫強(qiáng)度優(yōu)異的鎂銅合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫強(qiáng)度優(yōu)異的鎂銅合金及其制備方法的制備方法，尤其是一種 碳化硅增強(qiáng)的高性能鎂銅合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金作為一種輕金屬，很早就備受關(guān)注。然而，雖然其密度低，但是強(qiáng)度也不高。 因此，長期以來，鎂合金較少用于關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件。作為工程材料，人們通常期望高強(qiáng)度的材 料，隨著航空航天等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，研制高強(qiáng)度的鎂合金已經(jīng)非常迫切。
[0003] 中國專利CN103031452A公開了一種碳化硅顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料及制備方法， 該發(fā)明以純Mg粉末、A1粉末和SiC顆粒微粉為原材料，采用粉末冶金和多向鍛造法制備碳 化硅顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。通過粉末冶金和多向鍛造兩種成型方法，使鎂合金基體與SiC 顆粒之間具有良好的浸潤性和結(jié)合性，而且消除了粉末冶金成型過程中殘留在材料內(nèi)部的 孔隙，最終獲得了SiC顆粒均勻分布，鎂合金基體晶粒細(xì)小的鎂基復(fù)合材料，使該復(fù)合材料 具有更好的力學(xué)性能。該發(fā)明的鎂合金的抗拉強(qiáng)度低于200MPa。
[0004] 中國專利105154704A公開了一種耐高溫鎂合金材料的制備方法。該材料由以下 重量份配比的粉料制成：鎂粉63-71份、鐵粉9-13份、碳化娃粉5-9份、硫化猛粉5-7份、錯(cuò) 剛玉粉6-10份、石墨粉13-17份、電熔陶粒砂5-10份、玻璃纖維3-6份、錫粉10-14份、硫 化銅4-8份、鈷粉4-8份、氧化銅粉4-8份、鉀長石粉3-7份、娃化鈦4-9份。其制備方法包 括：混合、壓制、燒結(jié)、整形和浸油處理。通過對材料成分的調(diào)整和優(yōu)化，本發(fā)明提供耐高溫 鎂合金材料具有較好強(qiáng)、硬度，和高溫?zé)岱€(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)；且原料易得、加工成本低，制備工藝 簡單、參數(shù)易控，生產(chǎn)過程安全環(huán)保，適合大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]中國專利104109790A提供了 一種高強(qiáng)鎂合金材料及其制備方法，該鎂合金材料 組分中包含銅（A1)，鋅（Zn)，氯化錳（MnCl2)，碳化硅（SiC)晶粒，鈹（Be)，鎂（Mg)，其中， 鎂合金材料各組分組成按重量百分比分別為：銅（Al) :10. 5-12%，鋅（Zn) :6-7%，氯化錳 (MnCl2) :0.6-1.5 %，碳化硅（SiC)晶粒：2-3. 5%，鈹（Be) :0.01-0. 03%，余量為鎂（Mg)。 該合金通過連續(xù)鑄造的方式取代傳統(tǒng)的擠壓工藝，以短流程的方式完成鎂合金的生產(chǎn)，縮 短了生產(chǎn)流程，節(jié)約了成本，所制備的鎂合金材料相比于傳統(tǒng)的鎂合金材料，在抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)度、延伸率、彈性模量、硬度等方面均得到明顯改善。
[0006] 以上發(fā)明都致力于提高鎂銅合金的性能特別是強(qiáng)度性能，不過，對于航空航天一 些領(lǐng)域，鎂合金的高溫性能非常重要，然而，目前大多數(shù)鎂合金(例如MgSc6Mn、MgGd9Y4ZrQ.6 等合金）在400攝氏度時(shí)的屈服強(qiáng)度都在lOOMPa以下，其強(qiáng)度與目前常用的工程材料還有 較大的差距。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 發(fā)明目的：為了拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，提高其強(qiáng)度，發(fā)揮其低密度的有點(diǎn)，本發(fā)明提 供了一種高溫強(qiáng)度優(yōu)異的鎂銅合金及其制備方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 采用真空熔煉的方法，按一定質(zhì)量配比熔煉鎂合金，合金成分為：銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2-5% ; 鋯重量百分比含量為1-5% ;釹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-3% ;釔重量百分比含量為1-3% ;納米碳化硅的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-25% ;余量為鎂。在熔煉的過程中向鎂銅合金中摻入SiC納米顆粒，分散均 勻，緩慢冷卻并抽真空讓納米顆粒進(jìn)一步提高濃度，然后在高壓下采用扭曲變形的方式，再 采用異步乳制，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明，可以制備一種納米顆粒增 強(qiáng)的高強(qiáng)鎂銅合金。其顯微組織中的平均晶粒直徑在80納米以下，納米顆粒的直徑在200 納米以下，合金的在400攝氏度時(shí)的屈服強(qiáng)度可達(dá)130MPa以上。
[0009]具體制備方法包括以下步驟： (1) 準(zhǔn)備原料：準(zhǔn)備純度99. 9%以上的高純鎂、銅、鋯、釹、釔，以及平均粒徑為200納米 以下的納米SiC; (2) 熔煉合金：將鎂、銅、鋯、釹、釔、SiC按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)配料，在保護(hù)氣氛中熔煉，熔 煉過程中加入納米SiC，保持溫度在700 °C，采用超聲的方法進(jìn)行分散； (3) 對合金錠進(jìn)行緩慢冷卻，在冷卻的過程中保持抽真空狀態(tài)，真空度低于5torr; (4) 冷卻后，將合金錠加工成圓盤狀； (5) 將步驟（4)處理的合金圓盤放入上、下兩個(gè)壓砧中的凹槽形成的空間內(nèi)，對合金 施加高壓，并旋轉(zhuǎn)壓砧以扭轉(zhuǎn)合金圓盤，使之發(fā)生扭曲形變； (6) 啟動多功能乳機(jī)系統(tǒng)，設(shè)定上下乳輥的速比，速比為1. 1 一 1. 5 ;設(shè)定每次乳制形 變量為1-8%;設(shè)定低速輥的速度為0. 5-2米/秒； (7) 啟動主傳動電機(jī)，開始乳制過程； (8) 待一次乳制過后，重復(fù)（2) (3)過程15次以上； (9) 進(jìn)行重結(jié)晶退火熱處理。
[0010]其中，步驟（1)中的保護(hù)氣體為〇)2與SF6的混合氣體，步驟（3)中，冷卻速度小 于每秒0. 5k;步驟（5)中合金承受的壓力為1. 5-5GPa;旋轉(zhuǎn)速度每分鐘2~5轉(zhuǎn)，一共旋轉(zhuǎn) 3-20圈；步驟（8)中的乳制溫度為室溫：步驟（9)中的重結(jié)晶溫度為鎂的熔點(diǎn)的1/3~1/4， 時(shí)間3-20分鐘。
[0011]作為優(yōu)選，〇)2與SF6的體積比的范圍是50:1~100:1 ; 作為優(yōu)選，所采用的碳化硅的顆粒度平均為60-120納米。
[0012] 有益的效果： 本發(fā)明采用以鎂為基體，可以充分發(fā)揮其低密度的優(yōu)點(diǎn)，使得該合金的密度低，應(yīng)于航 空航天、汽車輕量化等領(lǐng)域的應(yīng)用。在合金化的過程中，盡量采用較少的合金化元素，也可 以保持其低密度的優(yōu)點(diǎn)；為了提高其強(qiáng)度，采用了稀土元素鋯、釹、釔，以在鎂銅合金中形成 稀土相增強(qiáng)。
[0013]本發(fā)明還采用了高強(qiáng)度的納米碳化硅顆粒作為增強(qiáng)相，納米碳化硅不僅可以起到 細(xì)化晶粒的作用，而且可以作為位錯(cuò)運(yùn)動的障礙，阻止金屬的位錯(cuò)移動，從而強(qiáng)化金屬；同 時(shí)，細(xì)化晶粒能夠起到改善合金塑性的作用。
[0014]本發(fā)明采用高溫金屬液體狀態(tài)下進(jìn)行超聲分散，有效解決了納米顆粒在金屬中很 難分散均勻的問題。在液態(tài)金屬狀態(tài)下使用超聲分散，可以將納米顆粒分散均勻，以解決傳 統(tǒng)混合、攪拌等技術(shù)中納米顆粒分散不好的缺陷。熔煉后采用緩慢冷卻，同時(shí)保持真空度， 可以使鎂的金屬蒸汽不斷地被抽出，降低合金中鎂的含量，從而提高合金中納米顆粒的體 積分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)納米顆粒強(qiáng)化的效果。
[0015]本發(fā)明采用高壓扭轉(zhuǎn)來細(xì)化晶粒，在施加高壓扭曲形變的過程中，合金基體中較 大的晶粒被分解成更細(xì)小的納米晶粒。此外，本發(fā)明還采用異步乳制對材料進(jìn)行進(jìn)一步加 工，這種乳制方法可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，并且可以在組織內(nèi)部形成粗細(xì)大小不均勻的晶粒， 這種材料結(jié)構(gòu)可以達(dá)到極大的背加工硬化，這是在均勻晶粒的材料或常規(guī)加工的材料中不 存在的。本發(fā)明采用微加工，多道次，適于得到目標(biāo)組織。最終合金的平均晶粒直徑一般在 80納米以下，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系，晶粒變得細(xì)小，可以使得合金的強(qiáng)度更高，同時(shí)，也可以 改善合金的塑性。通過本發(fā)明制備的鎂銅合金，400攝氏度時(shí)的屈服強(qiáng)度可達(dá)130MPa以上， 可以應(yīng)用于汽車、航天航空等領(lǐng)域。
[0016]
【具體實(shí)施方式】 下面通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的制備方法，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0017] 實(shí)施例1 (1) 準(zhǔn)備原料：準(zhǔn)備純度99. 9%以上的高純鎂、銅、鋯、釹、釔，以及平均粒徑為200納米 以下的納米SiC; (2) 熔煉合金：將鎂、銅、鋯、釹、釔、碳化硅按照86. 3%、1. 5%、2%、0. 8%、1. 4%、8%的質(zhì)量 比例配料，在〇)2與SF6的混合氣體中熔煉，其中C0 2與SF6體積比是100:1 ;熔煉過程中加 入納米SiC，保持溫度在700 °C，采用超聲的方法進(jìn)行分散； (3) 對合金錠進(jìn)行緩慢冷卻，冷卻速度每秒0. 2k;在冷卻的過程中保持抽真空狀態(tài)，真 空度低于4torr; (4) 冷卻后，將合金錠加工成圓盤狀； (5) 將步驟（4)處理的粗晶合金圓盤放入上、下兩個(gè)壓砧中的凹槽形成的空間內(nèi)，對 合金施加2GPa高壓，并以每分鐘2轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)壓砧以扭轉(zhuǎn)合金圓盤，使之發(fā)生扭曲形變， 一共旋轉(zhuǎn)20圈； (6) 啟動多功能乳機(jī)系統(tǒng)，設(shè)定上下乳輥的速比，速比為1. 1 ;設(shè)定每次乳制形變量為 8% ;設(shè)定低速輥的速度為0. 5米/秒； (7) 啟動主傳動電機(jī)，開始乳制過程； (8) 待一次乳制過后，重復(fù)（6) (7)過程25次； (9) 在200攝氏度進(jìn)行重結(jié)晶退火熱處理，時(shí)間8分鐘。
[0018]進(jìn)行合金化學(xué)成分分析，結(jié)果為：銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 8%;鋯重量百分比含量為3. 5%;釹質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 6%;釔重量百分比含量為2. 5%;納米碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%;余量為鎂。
[0019] 實(shí)施例2 (1) 準(zhǔn)備原料：準(zhǔn)備純度99. 9%以上的高純鎂、銅、鋯、釹、釔，以及平均粒徑為200納米 以下的納米SiC; (2) 熔煉合金：將鎂、銅、鋯、釹、釔、碳化硅按照85. 3%、3%、2%、1. 5%、1. 2%、7%的質(zhì)量比 例配料，