[发明专利]Mg2Si强化镁合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属材料制备工艺技术领域，涉及一种通过自生获得Mg₂Si强化相的耐热镁合金的制备工艺，具体涉及一种Mg₂Si强化镁合金的制备方法。

背景技术

随着现代工业的飞速发展，资源日趋贫化，能源日趋紧张，降低能耗已经成为市场竞争的契机，因此轻质工程材料的研究受到各工程领域越来越多的重视。镁及镁合金作为最轻的金属结构材料，具有较高的比强度、比刚度，同时具有良好的阻尼性能、导热、导电性能、电磁屏蔽性能和友好的环境特性及优良的铸造性能备受青睐，成为本世纪最有发展潜力的金属材料之一。然而，镁是密排六方结构，限制了镁合金的塑性变形能力。镁的力学性能较低，尤其是高温性能低，也限制了镁合金的应用。尽管目前已经开发出了不同系列的镁合金，德国等还开发出了AE、WE和MRI系列抗高温蠕变镁合金，但是这些系列合金使用了RE、Y、Sc、Th等贵金属，使合金成本和生产成本上升，限制了这些合金只能在导弹、高端小轿车上使用。

Mg₂Si相为CaF₂型面心立方晶体结构，具有高熔点(1087℃)、高硬度(HV_0.5460)、高弹性模量(120GPa)、低密度(1.99g·cm^-3)、低热膨胀系数(7.5×10^-6K^-1)和好的耐磨性、优良的高温性能和热稳定性，增强效果比较明显。含Mg₂Si相的镁合金强化机理是在晶界处形成细小弥散分布的稳定析出相Mg₂Si。镁的反应体系主要包括Mg-Mg₂Si，Mg-MgO等，因此，Mg₂Si相可以在镁合金中使用低廉的Si原位自生反应生成，以提高镁合金的高温力学性能。

然而，作为质量最轻、比强度高的镁及其合金，由于其熔点低，极易氧化燃烧，给原位自生反应获得Mg₂Si强化相的镁合金研究和开发带来了困难。尽管德国已经于上世纪70年代开发了廉价的AS(Mg-4Al-1Si及Mg-2Al-1Si等)系列合金，但是直接将Si加入镁合金后会形成粗大的汉字状或块状Mg₂Si相，降低了镁合金的力学性能，只适于冷速较快的压铸。当Si的质量分数小于0.5％时，Mg₂Si相呈细小短棒状或细片状；当Si的质量分数为1.0％时，增强效果最明显；当Si含量超过1％以后会形成多棱面的粗大枝晶状和块状Mg₂Si相，引起材料性能的下降，从而大大降低合金液的流动性，使得合金的铸造性能极度恶化。

当Si含量小于1％时可以通过直接加入Si块或Si粉获得汉字状或点状的Mg₂Si相，而含量超过1％时，由于Mg₂Si相的高熔点，使合金的熔点大幅提高，不利于原子的扩散形成Mg₂Si相。另外，镁或镁合金的密度通常只有1.74-2.1g·cm^-3，熔点为～649℃，而硅的密度为2.33g·cm^-3，熔点为1412℃，在合金配制过程中Si将沉淀于镁合金液的底部，Si只能通过扩散进入镁液中，这使自生获得含Mg₂Si相的镁合金配置极为困难。