[发明专利]一种超高强多用途轻质合金、熔炼工艺及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高强多用途轻质合金及、制备方法及应用，具体涉及通过一定的合金成分，熔炼工艺制备这种高性能多用途合金，属于合金技术领域。

背景技术

目前，镁合金是金属结构材料中密度最低的、继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，被称之为21世纪的绿色工程材料。因此，镁合金往往被用在航空航天以及军工产品领域。并且，由于大量的金属矿产资源日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视。此外，镁合金如果用于汽车、轨道交通等交通领域则可以减少车体重量，这样不但能够节约能源、提高燃料的利用率更有利于降低环境污染，净化社会环境，提高人类的居住环境。因此，镁合金成为目前最具研发前景、最具使用前途的合金体系。

稀土元素对合金具有独特的“净化”“细化”“强化”“合金化”的作用。因此，稀土元素往往成为提升镁合金力学性能、机械加工性能的首选合金化元素。Mg-Zn-RE合金为目前最具开发价值的合金体系，尤其添加稀土之后更是提高合金的成型能力、高温力学性能以及抗蠕变性能。

长周期叠层结构为Mg-Zn-Y镁合金中常见的三元相，它显著地提高了合金力学性能。长周期叠层结构最早由Padezhnova(E.M.Padezhnova，E.V.Melnik，R.A.Miliyevskiy，T.V.Dobatkina，V.V.Kinzhibalo.Russ Metall.(Metally)(Engl.Transl.)1982，4：185-188))等人发现，中国学者罗治平(Z.P.Luo，S.Q.Zhang.J.Mater.Sci.Lett.2000，19：813-815.)等人研究了Mg-7.2Y-1.2Zn-0.48Zr(质量百分比)合金中的长周期叠层结构，发现该结构为18R类型的长周期结构。罗治平(Z.P.Luo，S.Q.Zhang，Y.L.Tang，D.S.Zhao.J.alloys compd.1994，209：275-278.)在更早一篇文章中，发现了这种不连续分布于晶界处的长周期叠层结构，薄层状，沿着晶界方向尺寸约为10～30μm。2001年，河村能人(Y.Kawmura，K.Hayashi，A.Inoue.Mater.Trans.JIM 2001，42：1171-1716.)通过快速凝固+粉末冶金的方法制备了超高强Mg_90.65Y_6.84Zn_2.51(质量百分比)合金，其室温屈服强度可达610MPa，它被认为是目前强度最高的镁合金。它的制备过程是这样的：首先以纯Mg、纯Zn、纯Y为原料在高频感应炉中制备预制锭，然后用压力为9.8MPa氦气保护的雾化炉中将其雾化成球状粉末，球状粉末尺寸低于32μm，然后300℃～450℃下挤压成棒材。该合金主要的成分相为镁基体。合金的室温力学性能随着挤压温度的变化而变化，当挤压温度在300℃～450℃变化时，它的屈服强度大约在610-430MPa变化。该合金的力学性能对温度敏感，当拉伸温度为200℃时，它的屈服强度降至380MPa。这种高强合金明显的特点是合金由两种晶粒组成，一种为纳米级别的镁基体，体积分数大概在60～70％，另一种为6H类型的长周期叠层结构，体积分数大概在30～40％，这些小尺度的晶粒及6H类型的长周期叠层结构的尺寸大概50～200nm(E.Abe，Y.Kawamura，K.Hayashi，A.Inoue.Acta Mater.2002，50：3845-3857.)。但是，快速凝固+粉末冶金制备方法过于复杂，加工条件对环境要求苛刻，导致合金生产成本高，影响了合金的推广应用。此外，富镁角区域的Mg-Zn-Y合金力学性能显著受到了加工方法的影响，如2004年，河村能人(Y.Kawamura.Japan Institute of Metals Sendai Japan，2004，263.)采用常规挤压制备手段，开发了Mg_90.65Y_6.84Zn_2.51(质量百分比)挤压合金，该合金室温屈服强度为375MPa，延伸率为4％，长周期叠层结构与镁基体边界明显，沿着晶界方向尺寸大约为10-35μm。通过比较发现，普通方法制备的该类合金的强度远没有快速凝固+粉末冶金方法制备的合金强度高。河村能人(200580032675.3)在其专利中曾提到这种长周期叠层结构，在富镁角区域，Mg-xZn-yY(3.53≤y≤15.02，1.30≤x≤11.05，质量百分比)合金中添加稀土，形成了一种长周期叠层结构，该结构至少一部分和2H-Mg薄层片重合。该专利中说到，合金中的长周期叠层结构不连续分布于晶界处，与基体有清晰的界线，形貌为薄层状，沿着晶界方向尺寸大约为50～200μm。该专利中提到的长周期叠层结构经过塑性加工之后发生部分发生弯曲或屈曲，弯曲或屈曲一部分包含随机晶界。该发明的合金为高强高韧可用于工业化应用的轻质镁合金。