[发明专利]一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用

说明书

本发明公开了一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂。成分质量百分比范围为30～40％氯化镁、8～15％氯化钾、8～15％氯化钠、15～20％氯化钡、5～8％硫酸钡、10～15％二硼化锆、10～15％硫酸锆。先将氯化镁、氯化钾、氯化钠、氯化钡、硫酸钡进行熔融混合并冷却凝固得到精炼剂复合盐块，随后再将精炼剂复合盐块与二硼化锆、硫酸锆混合过筛制备得到净化细化复合处理熔剂。采用本发明的复合熔剂能够提高熔体净化效率，延长Zr细化作用时间，并一步实现合金熔体的细化与净化处理，大幅度缩短镁稀土合金熔体的制备流程。

技术领域

本发明属于镁合金技术领域，涉及一种镁合金熔体处理的熔剂，具体地说，涉及一种镁稀土合金净化细化复合处理熔剂及其应用。

背景技术

镁稀土合金具有密度低、比强度高、耐热性能好等优点，因此各发达国家将镁稀土合金列为航空航天、国防军工等领域优先发展材料之一，并将其应用到运载火箭舱体、导弹舱体、飞机发动机机匣等关键零部件上，实现了飞行器大幅减重、机动性能显著提高。可见，镁稀土合金有着非常广阔的市场前景。而高质量的合金熔体才能制备出高性能的铸件。镁稀土合金的熔体处理主要有两个重点内容，一是熔体净化处理；二是熔体细化处理。净化处理能够去除镁熔体中的氧化镁、稀土氧化物等夹杂物以提高铸件品质。细化处理能够降低合金的晶粒尺寸，提高铸件的力学性能。

而高品质镁稀土合金的熔体制备却非常困难。镁稀土合金熔体净化处理主要采用熔剂精炼法，依靠精炼剂在熔体中对夹杂物进行捕获、润湿，随后在静置过程中利用与镁熔体的密度差裹挟夹杂物沉降到坩埚底部达到熔体净化效果。精炼温度为730℃～750℃，温度过高或过低均会影响精炼剂的密度、粘度、表面张力等物化性质从而降低其净化效果。然而，稀土元素密度较大，镁稀土合金熔体密度较传统镁合金熔体密度更大。这样一来，采用传统的镁合金精炼剂对镁稀土合金熔体进行精炼时，精炼剂的沉降速度变慢，导致精炼后需要更长的静置时间才能达到理想的净化效果，严重降低净化效率。

镁稀土合金熔体细化处理主要采用Zr细化法，通过向熔体中加入Mg-Zr中间合金引入Zr，依靠未溶解Zr质点的异质形核作用和溶解的Zr元素的成分过冷效应实现晶粒细化。然而Zr质点的密度是镁液的近4倍，其在熔体中会迅速沉降到坩埚底部而失去细化效果。研究表明粒径越小的Zr质点，其沉降速度越慢。因此，向镁熔体中加入Mg-Zr中间合金时需要将熔体的温度升高到780℃～800℃，以促进Zr粒在高温下充分溶解而避免其沉降。这样一来，对熔体反复的升降温，不仅会降低生产效率，而且Zr在如此高的合金化温度下极易被氧化生成二氧化锆而烧损，降低Zr的收得率与合金细化效果。

由此可见，高品质的镁稀土合金熔体制备还存在三个没有解决的瓶颈问题：第一，该系列合金熔体的净化和细化处理存在相互制约的矛盾关系。其原因是：镁稀土合金熔体精炼处理后必须静置很长时间才能使夹杂沉降到坩埚底部达到理想的净化效果，而同时高密度的Zr质点也会迅速沉降，导致细化效果降低，这就造成了净化与细化处理之间的矛盾关系。第二，熔体净化与细化所需的工艺温度相差太大，在镁稀土合金熔体的制备过程中必须对其进行反复升降温，严重降低熔体的制备效率。第三，较高的Zr合金化温度导致Zr质点易发生氧化生成二氧化锆而烧损，降低晶粒细化效果。针对上述镁稀土合金熔体净化、细化处理过程中存在的问题，学术界和工业界开展了大量研究。

文献Effect of ultrasonic treatment on the alloying and grainrefinement efficiency of a Mg–Zr master alloy added to magnesium at hypo-andhyper-peritectic compositions(超声处理对加入压/过包晶成分的镁合金中的Mg-Zr中间合金的合金化和晶粒细化效率的影响)(《Journal of Crystal Growth》2019；512:pp20-32)中记载了向镁熔体施加超声抑制Zr质点沉降的方法，但超声带来的熔体对流也会使已经沉降的夹杂物重新卷入熔体当中而影响净化效果，因此这种方法的工程适用性不强。