[发明专利]GPa级高压作用下的Mg-Zn-Cu-Zr-(Cr-Ca)合金及制备方法

说明书

本发明提出了GPa级高压作用下的Mg‑Zn‑Cu‑Zr‑(Cr‑Ca)合金及制备方法，采用六面顶液压机对Mg‑Zn‑Cu‑Zr‑(Cr,Ca)合金在2GPa～6GPa高压作用下进行凝固，利用EBSD、SEM等分析手段研究了其凝固组织特征、Zn、Cu和Ca等溶质元素分布规律、高压凝固过程中的异质晶核以及强韧化机制。结果表明，该高压凝固合金的初生晶α‑Mg为规整的等轴晶，平均晶粒尺寸由常压下的186μm逐渐细化到6GPa下的22μm；Zn在α‑Mg基体中的固溶度由常压下的3.63％逐渐增至6GPa下的6.23％，晶间第二相由常压下的网状逐渐变为6GPa下断续分布的岛状或颗粒状；MgZn₂、Mg₂Ca和Cr₂Zr相均为高压凝固过程中α‑Mg晶体强有效的异质晶核衬底，极大地增加了凝固过程中晶核数目。合金的强度随凝固压力增大而升高，压断时最大抗力由常压下的240MPa提升至6GPa下的520MPa。

技术领域

本发明属于Mg-Zn-Cu合金技术领域，涉及一种GPa级高压作用下的Mg-Zn-Cu-Zr-(Cr-Ca)合金及制备方法。

背景技术

Mg-Zn-Cu合金是迄今商业化应用比较成功的Mg-Zn系耐热合金。由于Cu存在于共晶相Mg(Zn,Cu)₂中，使其在150℃以下的高温性能较好，可用于汽车发动机部件和推进器等。但公开报道的铸造Mg-Zn-Cu合金其铸态组织均较粗大，且主要强化相Mg(Zn,Cu)₂共晶相多连成网状分布在枝晶间，不但Mg(Zn,Cu)₂相的强化作用不能够充分发挥，还会降低铸造Mg-Zn-Cu合金的力学性能。因此，为进一步提高Mg-Zn-Cu合金力学性能扩大其应用范围，细化Mg-Zn-Cu凝固组织，改善Mg(Zn,Cu)₂相的形态与分布就显得十分重要。

控制凝固过程是细化凝固组织的关键手段。为控制金属或合金凝固过程，传统方法是通过调节化学成分和温度来改变凝固组织，而通常忽略影响凝固过程的另一个热力学参数—压力。压力与温度和化学成分均为重要的热力学变量，对金属或合金的凝固过程也有着重要的影响，尤其是压力达到GPa级时，将极大地改变金属或合金凝固过程的热力学和动力学。依据现有的高压凝固理论，压力总是使形核激活能降低，增加形核率；抑制原子扩散，使原子扩散激活能增大，由此增大晶体生长激活能，降低晶体生长速率。Zhao等研究高压对Mg-30Al合金凝固组织时指出，高压凝固能够细化镁合金组织，提高合金耐蚀性能(MAPan,WEIZun-jie,JIA Y D,ZOU C M,SCUDINO S,PRASHANTH K G,YU Z S,YANG S L,LI CG,ECKERT J.Effect of high pressure solidification on tensile properties andstrengthening mechanisms of Al-20Si[J].Journal of Alloys and Compounds,2016,688:88-93.)。Ma等研究3GPa下Al-20Si合金凝固组织及性能时发现，其Si在α-Al相中的固溶度高达6.93wt.％，α-Al相和共晶Si相得到细化；室温下Al-20Si合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率由常压凝固条件下的199±2.2MPa、151±1.5MPa和0.58±0.02％增加至3GPa下的365±4.2MPa、237±2.9MPa和2.98±0.07％(FAN Zhi-bin,LIN Xiao-ping,DONG Yun,LIChan,WANG Lin,FU Shou-jun.Dynamic recrystallization kinetic of fine grainedMg-Zn-Y-Zr alloy solidified under high pressure[J].Journal of Rare Earths,2017,35(09):920-926.)。Lin等研究高压对Mg-Zn-Y合金凝固组织影响时指出，4-6GPa高压作用下凝固的合金晶粒尺寸可达百微米以下，抗压强度由264MPa提高到400MPa以上。Zhou等研究高压对Mg-6Zn-1Y合金凝固组织和力学性能影响时发现，6GPa高压促进了第二相形态由常压下的层片状向颗粒状转变，维氏硬度由69MPa提升到6GPa凝固下的97Mpa(FUHui,LIU Na,ZHANGZhi-wei,PENG Qiu-ming.Effect of super-high pressure onmicrostructure and mechanical properties of Mg 97Zn 1Y 2,alloys[J].Journal ofMagnesium&Alloys,2016,4(4):302-305.)。