[发明专利]一种掺杂纳米颗粒的细晶镁合金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂纳米颗粒的细晶镁合金的制备方法。

背景技术

作为最轻的金属结构材料之一，镁合金具有高的比强度和比刚度等优点，在汽车、航空航天、电子和空间工业等领域具有广阔的应用前景。但是镁合金的力学性能不高，这限制了它作为结构材料在工业上的应用。镁合金具有密排六方的晶体结构，室温下镁的柱面和锥面等滑移系统由于较高的临界剪切应力而较难开动，因此基面滑移在变形过程中起主导作用,仅能提供两个独立的滑移系，导致延伸率很低。因此，如何提高镁合金的强度并改善其延展性已成为目前镁合金研究中急需解决的问题。

细化晶粒是提高金属材料强韧化的有效手段。新加坡国立大学的M. Gupta等发现掺杂纳米颗粒将细化镁合金的晶粒，改善其力学性能。镁合金中掺杂纳米颗粒的方法包括粉末冶金法、球磨法等固相法或者液相法。固相法所使用的设备成本高，并难以应用于制备大尺寸的块体镁合金。液相法是将纳米颗粒直接掺杂到镁合金熔体中，但是凝固过程中固液界面对纳米颗粒的推移容易导致掺杂的纳米颗粒重新聚集。

另一方面，镁合金在铸造的过程中存在着难以避免的气孔、疏松和缩孔，工业应用中一般需要对镁合金进行二次变形，通过变形消除铸造缺陷并细化晶粒，变形后镁合金的性能大大优于铸态镁合金。传统的变形方法主要包括热挤压，轧制、锻造等，在变形过程中镁合金通过动态再结晶而导致晶粒的显著细化，有效地改善了镁合金的力学性能。不同的变形工艺对镁合金的显微组织和力学性能具有显著的影响，传统的变形方法通常在恒温下一次完成，难以实现细晶镁合金的制备。

发明内容

本发明提供了一种掺杂纳米颗粒的细晶镁合金的制备方法，本发明制得的镁合金晶粒显著细化、力学性能较高，并且工艺流程简单、适合于工业化生产需求。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种掺杂纳米颗粒的细晶镁合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步，纳米颗粒的掺杂：首先将纳米颗粒掺杂到镁合金熔体，对升温至熔点以上50℃的掺杂纳米颗粒的镁合金熔体施加超声振动，然后再升温20~50℃，倒入浇注模具中，在二次超声振动的作用下凝固得到掺杂纳米颗粒的镁合金；

第二步，多步变温压缩：将第一步所得到的掺杂纳米颗粒的镁合金置于加工模具中加热、保温，进行多步变温压缩，压缩温度为300～400℃，经过3～6步压缩得到掺杂纳米颗粒的细晶镁合金。

上述方法的第一步中，镁合金的配比材料为质量分数9.3%Al、0.96%Zn、0.2%Mn、0.04%Si 和89.5%Mg。

上述方法的第一步中，掺杂的纳米颗粒为尺寸为20~100nm的碳化硅。纳米颗粒通过机械搅拌法掺杂到镁合金熔体，机械搅拌速率为300~1000rpm，所掺杂的纳米颗粒质量分数为0.5~1%。

上述方法的第一步中，采用了两步超声振动，第一次超声振动的时间为30~60min，第二次超声振动的时间为10min~20min。

上述方法的第二步中，所述的多步变温压缩在耐高温的加工模具中完成，掺杂纳米颗粒的镁合金在加工模具中加热保温的时间是30～45min，温度范围是300～400℃。

上述方法的第二步中，在多步变温压缩中，每步的压下量为50%时停止压缩；将试样旋转90度，掺杂纳米颗粒的镁合金重新加热至压缩温度，再进行下一步变温压缩。

上述方法的第二步中，所述的加工模具材质为耐高温的H13模具钢，模具为中空的圆柱体结构，圆柱体的高度为240mm，圆柱体的底面直径为280mm；模具内腔为长方体空腔，尺寸为50×100×240mm，进入模具中的材料尺寸为50×50×100mm。多步变温压缩的具体步骤为：首先沿垂直于试样Z面对试样进行压缩，使试样高度减少约50%，即1步压缩；将试样旋转90°，降低试样的压缩温度，沿Y面对试样进行压缩，同样使试样高度减少约50%，即2步压缩；继续将试样旋转90°，降低试样的压缩温度，沿X面对试样进行压缩，使试样高度减少约50%，即3步压缩，以此类推。

本发明的有益效果：