[发明专利]一种多晶粒尺度多层镁合金的制备方法

说明书

本发明公开一种多晶粒尺度多层镁合金的制备方法，包含：预处理、浇铸、轧制、多晶粒尺度形成四步工序，选择两种或两种以上稀土镁合金和变形镁合金，进行固液镶嵌铸造，形成多层复合镁合金。再通过轧制及后续退火处理，在各层片之间形成多晶粒尺度，获得大块多晶粒尺度强化层片异构镁合金复合材料。

技术领域

本发明涉及的是一种多晶粒尺度多层镁合金的制备方法，具体是一种采用镶嵌铸造，固液结合两种或两种以上具有不同晶粒细化行为的镁合金，并对制得的材料进行塑性变形和热处理调控微观结构，制备出大块多晶粒尺度多层镁合金的方法。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有高比强、高比模、高阻尼减振和电磁屏蔽性能、以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在国防军事、航空航天、汽车、电子通信等工业领域正得到日益广泛的应用。相比于铝合金、钛合金等其他轻金属结构材料，镁合金的强度和韧性都较差。稀土合金化是镁合金强韧化的重要途径。稀土元素在镁合金基体中形成高密度纳米级的析出相，对位错运动产生强烈的阻碍作用，从而大幅度的提高镁合金的强度。此外，析出强化镁合金的析出相，在高温时比晶界的稳定性更高，因此，析出强化的镁合金在高温变形时，往往具有更高，更稳定的力学性能。但是，已有的研究结果表明，金属材料中位错的产生具有显著的尺寸效应。粗晶HCP金属因缺少足够的滑移系通常需要孪晶来推动塑性变形，当晶粒尺寸小于100nm时，纳米晶内部就很难产生孪晶。而时效强化镁合金的析出相的间距通常只有几十纳米，弥散分布的析出相将粗大的晶粒分割成许多纳米单元，在这些单元里位错难以形成和运动。因此，通过时效析出强化的镁合金材料的韧性会出现大幅降低，大大限制了析出强化镁合金在实际生产中的应用。而另一方面，变形镁合金则拥有与之差异较大的性能，研究表明，采用细晶强化，可以令变形镁合金在提高强度的同时，依旧保持良好的韧性，但是这类镁合金的耐热性能较差。如何兼得强度、韧性及耐热性，成为当前镁合金研究的一大热点。

经对现有技术的文献检索发现，K.Wu等人在《Materials Science andEngineering A》，2010，527，3073–3078上发表的“Microstructure and mechanicalproperties of the Mg/Al laminated composite fabricated by accumulative rollbonding(ARB)”(采用累积叠扎(ARB)制备的Mg/Al多层复合材料的力学性能和微观结构研究)一文中，介绍了一种采用累积叠扎制备Mg/Al多层复合材料。该技术的特点如下：(1)所制备的材料，层数可控，且可加工出大尺寸样品，适用于工业应用；(2)加工工艺简单，可操作性强；(3)通过叠扎复合制备的材料，其屈服强度提高显著。但是，由于镁合金本身的变形能力很差，通过累积叠扎制备的层片状Mg/Al合金需要在高温下进行，技术上存在以下问题：(1)难以控制界面的氧化；(2)高温易于使晶粒尺寸发生长大，无法得到纳米级或亚微米级的晶粒；(3)层片状Mg/Al复合材料的强韧化性能具有明显的方向性，限制了其在很多对多向受力有要求的部件上的应用。

进一步检索发现，X.L.Wu等人在《Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America》，2015，47：14501-14505上发表的“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility”(高强高韧粗细晶混合层片状结构材料)一文中，介绍了一种通过变形和热处理等工艺，调控纯Ti的微观结构至超细晶与粗晶混合的状态，综合利用超细晶的超高强度和粗晶的超高韧性，以及由粗细两种不同结构变形行为不一致性诱发的背应力强化，制备出强度接近1GPa，均匀延伸率10％左右的高强高韧纯Ti板材。该技术的特点是：(1)制得的多晶粒尺度块体板材，不存在界面氧化夹杂等问题；(2)通过不同工艺控制混晶的比例、层厚等微观结构，从而获得不同力学性能的高强高韧Ti板材。但是，这种方式制备的混晶材料组元较为单一，且耐热性较差。

发明内容