[发明专利]一种三维超声结合声场检测制备Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金的方法

说明书

本发明提供了一种三维超声结合声场检测制备Mg‑Al‑Zn‑Mn‑Cu多元合金的方法，属于先进材料制备及加工技术领域。本发明采用三维相互正交的超声场在熔体内部得到均匀且高强的超声场，实现更大的空化体积，解决了单束超声波超声能量衰减快、作用范围小的缺点，也解决了变幅杆受到高温侵蚀产生变形与溶解的局限；通过高温声场检测系统实时监测，实现对声压和空化声强等反应超声能量的测量与调控，达到对合金凝固组织及应用性能的调控。实施例的结果显示，本发明制备的合金中α‑Mg组织显著细化，同时β‑Mg17Al12相变成弥散且相互连接的网状分布，屈服强度为113MPa，塑性延展率为5.3％，断裂强度为206MPa。

技术领域

本发明涉及先进材料制备及加工技术领域，尤其涉及一种三维超声结合声场检测制备Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金的方法。

背景技术

镁合金是工业应用最轻的金属结构材料，它具有比重轻、比强度和比刚度高，阻尼、导热、铸造性优异，电磁屏蔽能力强、资源丰富、容易回收等一系列优点，因此，在汽车工业、通讯电子业和航空航天业等领域正得到日益广泛的应用。其中Mg-Al系合金中由于具有较好的耐蚀性能和铸造性能，同时成本较低，因而应用最为广泛，但是其传统铸造方法所得的铸态合金中α-Mg相的晶粒较为粗大，同时晶界处弥散分布的β-Mg17Al12相强度较低，较易发生裂纹扩展，导致其强度较低同时塑性较差，这些都限制了其后期的变形处理工艺并进一步限制了其广泛应用。

在金属或合金凝固过程中施加功率超声是改善其组织结构提高性能最有效的方法之一。功率超声是物体超高机械振动能量的传播形式，具有频率高、功率密度大、束射性和方向性良好等显著物理特性，与液态、半固态金属或合金相互作用时存在压力场、热效应、声空化和声流等一系列非线性超声效应，从而达到晶粒细化、组织均匀化与净化（去气、除渣、提纯等）等效果。其中声空化效应，是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定阈值时发生生长和崩溃的动力学过程，其中空化泡破灭产生的局域高温高压环境被认为对晶体的形核和生长影响最为显著。

目前对于功率超声在金属凝固过程中的常用形式及其局限性为：（1）将单束超声波直接施加到金属或合金熔体内部，该方式存在变幅杆容易受到高温侵蚀产生变形与溶解、超声能量衰减快、作用范围小、超声场分布形式不可调控等显著局限性；（2）超声处理过程中缺乏对熔体中的声场包括声压和空化声强等信息的测量，难以实时对超声参数进行调整，从而调控声空化效应并进一步调控超声的作用效果。事实上，并非简单所想的超声功率越大或者振幅越大，超声处理合金熔体的效果越好。

因此，如何弥补超声作用范围不足的缺陷，进而提高超声处理效果和调控镁合金的凝固组织及其性能成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维超声结合声场检测制备Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金的方法，本发明提供的Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金中α-Mg组织显著细化，β-Mg17Al12相变成弥散且相互连接的网状分布，且力学性能得到大幅度提高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维超声结合声场检测制备Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金的方法，包括以下步骤：

（1）将合金原料进行熔炼，得到合金熔体；所述合金原料包括Al、中间合金和Mg；所述中间合金的原料包括20wt.%的Zn、10wt.%的Mn、10wt.%的Cu和余量的Al；

（2）将所述步骤（1）得到的合金熔体进行浇铸冷却，得到Mg-Al-Zn-Mn-Cu多元合金；所述浇铸冷却在三维相互正交的超声场中进行，所述超声场由超声振动组件产生并由高温声场检测系统进行实时监测；所述超声场通过计算机进行调控。

优选地，所述步骤（1）中的合金原料包括5.5~6.0wt.%的Al、5.0~5.5wt.%的Al60Zn20Mn10Cu10中间合金和余量的Mg。