本發(fā)明涉及一種長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板的制備方法，屬有色金屬材料制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相l(xiāng)ong-periodstackingorder，lpso具有高硬度、高彈性模量、高熱穩(wěn)定性，具有與鎂基體共格的相間界面，可顯著提高鎂合金的強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕性、高溫蠕變性等綜合性能；然而，鎂釓鋅合金在鑄態(tài)下難以形成lpso相，需經(jīng)長時間高溫固溶處理后才可形成lpso相；而鑄態(tài)下形成的脆性β-(mgzn)3gd相常以粗大連續(xù)網(wǎng)狀/骨骼狀分布于晶界，割裂鎂合金基體，惡化材料性能。

目前，cn104178713a專利公布了“一種用于mggderznzr合金中l(wèi)pso相的調(diào)控制備方法”，經(jīng)多步高溫固溶熱處理將共晶(mgzn)3gd相轉(zhuǎn)變?yōu)閘pso相，但該法工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、能耗高；生成的lpso相和鎂基體晶胞尺寸粗大，強(qiáng)化效果減弱；cn104372225a專利公布了“具有l(wèi)pso結(jié)構(gòu)的鑄態(tài)mggdzn(zr)合金的制備方法”，通過合金澆鑄時的凝固速度控制，使鎂合金晶界x相和晶內(nèi)lpso結(jié)構(gòu)共存，但也存在形成的x相數(shù)量少、大部分(mgzn)3gd晶界共晶相仍然存在的弊端。

因此，如何消除鑄態(tài)mggdzn合金中β-(mgzn)3gd晶界共晶相，促進(jìn)lpso相大量形成和完全轉(zhuǎn)變，成為高性能長周期有序結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)mggdzn合金的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的弊端，在鑄態(tài)mggdzn合金中摻雜ca、al元素，在鑄態(tài)下將(mgzn)3gd共晶化合物轉(zhuǎn)變成lpso相，經(jīng)熱擠壓制成lpso相增強(qiáng)的高性能mggdzncaal合金板，以提高鎂釓鋅合金的力學(xué)性能，擴(kuò)大鎂釓鋅合金的使用范圍。

技術(shù)方案

本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為：鎂、鋁、鋅、鎂鈣中間合金、鎂釓中間合金、無水乙醇、氬氣，其組合準(zhǔn)備用量如下：以克、毫升、厘米³為計量單位

鎂：mg質(zhì)量純度99.95％，147.267g±0.001g

鋁：al質(zhì)量純度99.95％，3.435g±0.001g

鋅：zn質(zhì)量純度99.95％，6.99g±0.001g

鎂鈣中間合金：mg-ca，質(zhì)量純度99.95％，31.565g±0.001g

mg含量70％，ca含量30％

鎂釓中間合金：mg-gd，質(zhì)量純度99.95％，140.2g±0.001g

mg含量70％，gd含量30％

無水乙醇：c2h5oh1000ml±10ml

氬氣：ar800000cm³±100cm³

制備方法如下：

(1)制備開合式澆鑄模具

開合式澆鑄模具用不銹鋼材料制作，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度ra0.08-0.16μm；

(2)制備鎂鈣鋁共晶合金

制備鎂鈣鋁共晶合金是在真空熔煉爐內(nèi)進(jìn)行的，是在抽真空、中頻感應(yīng)加熱、氬氣底吹過程中完成的；

①打開真空熔煉爐，用金屬鏟、金屬刷清理熔煉坩堝，用無水乙醇清洗熔煉坩堝內(nèi)腔，使其潔凈；

②開啟氬氣瓶，向爐腔輸入氬氣，氬氣輸入速度200cm³/min，輸入時間5min，清除爐腔內(nèi)有害氣體；

③加料：將鋁3.435g±0.001g、鎂鈣中間合金31.565g±0.001g加入熔煉坩堝內(nèi)；

④密閉爐腔，開啟真空泵，抽取爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)1pa；

⑤開啟真空熔煉爐的中頻感應(yīng)加熱器，加熱熔煉坩堝內(nèi)的鋁、鎂鈣中間合金，加熱溫度710℃±1℃，加熱時間10min，使其熔化；

⑥開啟熔煉坩堝內(nèi)底部的氬氣管，對熔煉坩堝內(nèi)的溶液進(jìn)行氬氣底吹，氬氣底吹流量為100cm³/min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)恒定在1個大氣壓，氬氣底吹、熔煉時間10min；

⑦熔煉后,停止加熱，停止氬氣底吹；

⑧澆鑄，打開真空熔煉爐，取出熔煉坩堝，對準(zhǔn)預(yù)制的開合式模具進(jìn)行澆鑄，澆滿為止；

⑨冷卻，澆鑄后熔液隨開合式模具冷卻至25℃；

⑩開模，取出鑄錠，即鎂鈣鋁共晶合金mgcaal；

(3)制備鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金

鎂釓鋅鈣鋁合金的制備是在真空熔煉爐內(nèi)進(jìn)行的，是在抽真空、中頻感應(yīng)加熱、氬氣底吹過程中完成的；

①清理熔煉坩堝，打開真空熔煉爐，用金屬鏟、金屬刷清理熔煉坩堝，然后用無水乙醇清洗熔煉坩堝內(nèi)腔，使其潔凈；

②加料：稱取鎂147.267g±0.001g、鎂釓中間合金140.2g±0.001g、鋅6.99g±0.001g、鎂鈣鋁共晶合金5.543g±0.001g，加入熔煉坩堝內(nèi)；

③密閉爐腔，開啟真空泵，抽出爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)1pa；

④開啟真空熔煉爐的中頻感應(yīng)加熱器，加熱熔煉坩堝內(nèi)的合金材料，加熱溫度740℃±1℃；

⑤開啟熔煉坩堝內(nèi)底部的氬氣底吹管，氬氣底吹流量為100cm³/min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)恒定在1個大氣壓；熔煉時間20min，使其熔化，成混合熔液；

熔煉坩堝內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)材料在加熱熔煉、氬氣底吹過程中將發(fā)生合金化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

式中：mggdzncaal：鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠

⑥熔煉后，停止加熱，停止氬氣底吹；

⑦澆鑄，打開真空熔煉爐，取出熔煉坩堝，對準(zhǔn)模具澆口進(jìn)行澆鑄，澆滿為止；

⑧澆鑄后，將模具及其內(nèi)的鑄件埋入細(xì)砂中，冷卻至25℃；

⑨開模、切割、打磨、清洗

打開開合式模具，取出鑄件；

把鑄件置于鋼質(zhì)平板上，用機(jī)械切割周邊及正反表面，使各面規(guī)整；

用砂紙打磨鑄件周邊及正反表面，使其光潔；

用無水乙醇對鑄件正反表面及周邊進(jìn)行清洗，使其潔凈，即鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠；

(4)熱擠壓成型

鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠的熱擠壓成型是在真空熱壓機(jī)上進(jìn)行的，是在抽真空、輸氬氣、等離子放電加熱下完成的；

①制備開合式熱擠壓模具，開合式熱擠壓模具用鉻鉬鋼制作，模具型腔及出料口呈矩形，型腔及出料口表面粗糙度ra0.08-0.16μm；

②裝模，將開合式熱擠壓模具垂直置于鋼制平板上，在模具型腔內(nèi)垂直置放鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠，并用凸模垂直壓住；

③打開真空熱壓機(jī)，將裝模的開合式模具平行移入真空熱壓機(jī)內(nèi)的工作臺上，并由上部的壓力塊壓住凸模；

④關(guān)閉真空加熱爐，密閉；

⑤開啟真空泵，抽取爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)1pa；

⑥開啟氬氣瓶，向爐內(nèi)輸入氬氣，氬氣輸入速度為100cm³/min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)恒定在1個大氣壓；

⑦開啟等離子放電加熱器，加熱溫度410℃±1℃，加熱時間30min；

⑧開啟壓力電機(jī)，通過壓力塊對鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠施壓，施壓壓強(qiáng)22mpa；在施壓過程中，合金錠在模具內(nèi)塑性變形，并由凹模出料口擠壓出矩形板材，即長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板；

⑨熱壓后停止加熱、停止施壓、停止輸氬氣；

合金板冷卻至25℃，即終產(chǎn)物；

⑩清洗，用無水乙醇對終產(chǎn)物合金板正反表面及周邊進(jìn)行清洗，使其潔凈；

(5)時效處理

將制備的長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板置于熱處理爐中，進(jìn)行時效處理，時效溫度200℃、時效時間120min；

時效后進(jìn)行清洗；清洗后晾干；

(6)檢測、分析、表征

對制備的長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板的形貌、色澤、微觀組織、力學(xué)性能、抗腐蝕性能進(jìn)行檢測、分析、表征；

用金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察；

用x射線衍射儀進(jìn)行相組分分析；

結(jié)論：長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板為淺灰色矩形，微觀組織致密性好，產(chǎn)物純度達(dá)99.6％，強(qiáng)度達(dá)417mpa，伸長率為12％，鑄態(tài)鎂釓鋅鈣鋁合金的腐蝕電壓為-0.447v，腐蝕電流密度為5.528×10^-6a/cm²，較未加ca、al合金腐蝕電壓提高3倍、腐蝕速率降低500倍，抗腐蝕性顯著提高；

(7)產(chǎn)物儲存

將長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板用軟質(zhì)材料包裝，儲存于陰涼潔凈環(huán)境中，要防潮、防曬、防酸堿鹽類侵蝕，儲存溫度20℃，相對濕度≤10％。

有益效果

本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，是針對鑄態(tài)鎂釓鋅合金難以形成長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相和力學(xué)性能不足的弊端，采用在鎂釓鋅合金中摻雜鈣、鋁元素，采用兩步法真空熔煉、氬氣底吹保護(hù)，澆鑄成錠，誘導(dǎo)形成長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相，經(jīng)熱擠壓時效制成高性能長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板，此制備方法工藝先進(jìn)，數(shù)據(jù)精確翔實，產(chǎn)物純度高，達(dá)99.6％，強(qiáng)度達(dá)417mpa，伸長率為12％，鑄態(tài)鎂釓鋅鈣鋁合金的腐蝕電壓為-0.447v，腐蝕電流密度為5.528×10^-6a/cm²，較未加ca、al合金腐蝕電壓提高3倍、腐蝕速率降低500倍，抗腐蝕性顯著提高，是先進(jìn)的制備長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板的方法。

附圖說明

圖1、為鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金熔煉狀態(tài)圖

圖2、為長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板熱擠壓成型狀態(tài)圖

圖3、為長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板x射線衍射強(qiáng)度圖譜

圖4、為鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠金相組織圖

圖5、為擠壓時效態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板金相組織圖

圖中所示，附圖標(biāo)記清單如下：

1、真空熔煉爐，2、爐座，3、第一爐腔，4、出氣管，5、控制閥，6、工作臺，7、熔煉坩堝，8、中頻感應(yīng)加熱器，9、混合熔液，10、氬氣，11、底吹泵，12、氬氣底吹管，13、第一真空泵，14、第一真空管，15、第一氬氣瓶，16、第一氬氣管，17、第一氬氣閥，18、第一電控箱，19、第一顯示屏，20、第一指示燈，21、第一電源開關(guān)，22、熔煉溫度控制器，23、第一真空泵控制器，24、底吹泵控制器，25、第一導(dǎo)線，26、第二導(dǎo)線，27、左支架，28、右支架，29、爐蓋，30、真空熱壓機(jī)，31、機(jī)座，32、頂座，33、機(jī)腔，34、出氣管閥，35、等離子放電加熱器，36、熱擠壓凹模，37、熱擠壓凸模，38、凹模型腔，39、凹模出料口，40、鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠，41、壓力塊，42、壓力電機(jī)，43、第二真空泵，44、第二真空管，45、第二氬氣瓶，46、第二氬氣閥，47、第二氬氣管，48、第二電控箱，49、第二顯示屏，50、第二指示燈，51、第二電源開關(guān)，52、壓力電機(jī)控制器，53、第二真空泵控制器，54、第三導(dǎo)線，55、第四導(dǎo)線，56、擠壓態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1所示，為鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金熔煉狀態(tài)圖，各部位置、連接關(guān)系要正確，按量配比，按序操作。

制備使用的化學(xué)物質(zhì)的量值是按預(yù)先設(shè)置的范圍確定的，以克、毫升、厘米³為計量單位。

真空熔煉爐為立式，在真空熔煉爐1的底部為爐座2，頂部為爐蓋29，內(nèi)部為爐腔3；在爐座2下部設(shè)有左支架27、右支架28；在真空熔煉爐1的右上部設(shè)有出氣管4、控制閥5；在爐腔3內(nèi)底部設(shè)有工作臺6，在熔煉工作臺6上部放置熔煉坩堝7，熔煉坩堝7外部為中頻感應(yīng)加熱器8，熔煉坩堝7內(nèi)為混合熔液9；在真空熔煉爐1的左部設(shè)有第一氬氣瓶15，第一氬氣瓶15上部設(shè)有第一氬氣管16、第一氬氣閥17，并連接氬氣泵11及氬氣底吹管12；氬氣底吹管12向上穿過爐座2、真空熔煉爐1、工作臺6，進(jìn)入熔煉坩堝7，并向熔煉坩堝7內(nèi)底吹氬氣10；在爐座2右下部設(shè)有第一真空泵13，第一真空泵13上部設(shè)有第一真空管14，第一真空管14穿過爐座2、真空熔煉爐1與爐腔3連通；在真空熔煉爐1的右部設(shè)有第一電控箱18，在第一電控箱18上設(shè)有第一顯示屏19、第一指示燈20、第一電源開關(guān)21、熔煉溫度控制器22、第一真空泵控制器23、底吹泵控制器24；第一電控箱18通過第一導(dǎo)線25與中頻感應(yīng)加熱器6連接、通過第二導(dǎo)線26與底吹泵11、第一真空泵13連接。

圖2所示，為長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板熱擠壓成型狀態(tài)圖，長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板的熱擠壓成型是在真空熱壓機(jī)上進(jìn)行的，是在抽真空、輸氬氣、等離子放電加熱狀態(tài)下完成的；

真空熱壓機(jī)為立式，在真空熱壓機(jī)30的底部為機(jī)座31、頂部為頂座32、內(nèi)部為機(jī)腔33；在真空熱壓機(jī)30右上部設(shè)有出氣管閥34；在機(jī)座31上垂直設(shè)有熱擠壓凹模36，熱擠壓凹模36內(nèi)部為凹模型腔38，凹模型腔38下部為凹模出料口39，熱擠壓凹模36內(nèi)置放鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠40，熱壓后由凹模出料口39壓出擠壓態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板56，其上部由熱擠壓凸模37壓住，熱擠壓凸模37上部連接壓力塊41，壓力塊41連接頂座32及上部的壓力電機(jī)42；在機(jī)座31左下部設(shè)有第二真空泵43，第二真空泵43連接第二真空管44，并伸入機(jī)腔33內(nèi)；在真空熱壓機(jī)30左部設(shè)有第二氬氣瓶45，第二氬氣瓶45上部設(shè)有第二氬氣閥46、第二氬氣管47，并向機(jī)腔33內(nèi)輸入氬氣10；在真空熱壓機(jī)30右部設(shè)有第二電控箱48，在第二電控箱48上設(shè)有第二顯示屏49、第二指示燈50、第二電源開關(guān)51，壓力電機(jī)控制器52、第二真空泵控制器53；壓力電機(jī)42通過第三導(dǎo)線54與第二電控箱48連接，第二真空泵43通過第三導(dǎo)線55與第二電控箱48連接。

圖3所示，為長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板x射線衍射強(qiáng)度圖譜，圖中所示，合金主要由α-mg、lpso相及少量(mgzn)3gd、al2gd相組成。

圖4所示，為鑄態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金錠金相組織圖，圖中所示，鑄態(tài)合金主要由α-mg、塊狀18rlpso相、細(xì)層片狀14hlpso相，以及微量細(xì)小al2gd共晶顆粒相、個別(mgzn)3gd共晶顆粒組成，這表明添加0.5wt.％ca、0.18wt.％al后，合金中大部分(mgzn)3gd晶界共晶相完全轉(zhuǎn)變?yōu)?8rlpso相，且18rlpso相晶粒細(xì)小、取向隨機(jī)，與α-mg、14hlpso相界面結(jié)合良好。

圖5所示，為擠壓時效態(tài)長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)相增強(qiáng)鎂釓鋅鈣鋁合金板金相組織圖，圖中所示，擠壓時效態(tài)合金中的α-mg、14h、18rlpso相破碎、細(xì)化，彎曲、變形，均勻分散；微量細(xì)小al2gd、(mgzn)3gd顆粒相均勻彌散分布于合金基體中。