一种纳米晶态多晶镁材的制备方法

摘要

本发明涉及高性能镁合金或镁基复合材料，所制备材料基体晶粒尺寸处于纳米级，材料具有高强韧特征，属于新材料制备领域。即将将铸态或变形态镁合金或镁基复合材料进行深冷-低热循环处理，控制深冷温度、冷处理时间、冷热循环次数、低热温度和热处理时间等重要参数，处理后镁材具有纳米晶的微观组织，对应高强高韧的力学性能，是一种制备高性能镁材的“高性能、高效率、低成本、低污染”方法。

权利要求

1.一种纳米晶态多晶镁材的制备方法，所述镁材指镁合金或镁基复合材料，其特征在于：将铸造或变形后的固态镁材进行深冷-低热循环处理，通过控制深冷温度、冷却速度、冷处理时间、低热温度、热处理时间和冷热循环次数使得处理后镁材具有纳米晶的微观组织；所述深冷-低热循环处理是指将固态镁材置入深冷处理箱，从室温降低到液氮温度-196℃，冷却速度控制在40~80℃/s，冷处理时间20~120min，冷处理结束后取出样品，准备进行低热处理；对于铸造镁合金或镁基复合材料，直接置于室温环境，对于变形镁合金或镁基复合材料，加热到低于时效温度5℃的低热环境中；对于变形镁合金或镁基复合材料，低热处理时间和镁合金或镁基复合材料的基体镁合金的时效处理时间相同，并在热处理后置于空气中冷却；对于铸造镁合金或镁基复合材料，低热处理时间设定为60~120min；第三步循环冷热处理：将一次冷热处理后的样品，重复第二步操作，进行第二次深冷低热处理；

按照同样操作方法，进行第三次深冷低热处理直至第N次深冷低热处理，对于变形镁合金或镁基复合材料后一次的低热处理温度应比前一次的低热处理温度低5℃；循环次数设定为0~3次，在该范围内，循环次数越多，纳米晶态特征就越明显。

2.如权利要求1所述的一种纳米晶态多晶镁材的制备方法，其特征在于：所述室温指-5~35℃。

说明书

一种纳米晶态多晶镁材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高性能镁合金或镁基复合材料，所制备材料基体晶粒尺寸处于纳米级，材料具有高强韧特征，属于新材料制备领域。

背景技术

[0002] 地球上的镁资源储量十分丰富，大约占地壳质量的2%，占海水质量的0.14%，同时镁合金及其复合材料具有比刚度、比强度高、抗振性能好等性能优势，轻量化、强韧化是当代机电产品的发展趋势，首先表现在汽车、飞机和航天器等远载工具制造业上，随着这些行业的发展，对镁基合金的强韧化提出了更高要求，因此认为高强韧镁材在先进结构材料方面颇有发展潜力。然而在实际工业生产中，镁材并没有得到广泛应用，原因是镁的强韧性尚且达不到常规结构材料的使用要求，因此探索一条行之有效的提高镁材强韧度的途径是非常必要的。

[0003] 前期文献显示，提高材料强韧性的主要途径有：

[0004] 第一：细化基体晶粒，晶粒细化到一定程度时可以保证多晶镁合金具备充分的延性转变能力：

[0005] 细晶方法一：是用挤压技术促进材料变形，专利01128128.6提供一种制备超细晶粒组织变形镁合金的方法，其特征在于：将镁合金在330～370℃，固溶处理1～2小时；再在130～160℃时效8～10小时；最后在330～370℃下，一次等温变形，变形量≥75％，该发明将变形温度调高到固溶温度区，从而使得大变形量可以一次性完成，因而从根本上避免了，由于反复多道次轧制过程中间的软化处理对晶粒长大的影响。

[0006] 细晶方法二：是在凝固过程中加入晶粒细化剂。专利02135921.0提供一种镁合金晶粒细化剂及其制备方法，该细化剂的化学成分包括：72.50-99.80％铝，0.02-20.00％碳，0.00-10.00％镁，细化剂的制备方法是：将铝粉、石墨粉和镁粉混和均匀、烘干、压块，然后在真空或惰性气体保护下，于700-1000℃保温不少于25分钟，该方法所得细化剂为金属块体，向镁合金熔体中添加方便，易于控制加入量和成分含量，以微量加入可达到高效细化的目的，同时不易受处理温度和时间及工艺条件的影响。

[0007] 细晶方法三：是采用合金化方法，即在镁合金中加入稀土、Li合金。

[0008] 细晶方法四：是采用快速凝固技术，可制备多晶和非晶镁基合金。

[0009] 但是以上方法只是在一定程度上促进了镁合金的细化，与纳米晶态仍有一定差距。

[0010] 第二种方法是制备镁基复合材料。

[0011] 复合方法一：是用外加增强相法，可选用的增强相有小尺寸SiC颗粒、碳纳米管等，因为外加相尺寸小，存在不容易分散和不容易润湿的关键问题，而且对强度韧性提高的幅度很有限，当对外加相表面进行涂覆处理后能在一定程度上克服团簇，但仍存在材料组织不稳定的问题；同时使用纳米管等增强提高了材料制备成本。

[0012] 复合方法二：是用原位内生方法。通过非晶晶化或部分晶化，在非晶镁合金基体中得到自生纳米颗粒，将会非常显著提高镁基合金的强韧性。

[0013] 本发明提供的方法是通过深冷-低热循环处理镁合金或镁基复合材料，镁材基体晶粒度尺寸在纳米级，材料强韧度提高，与现有文献相比，该法可实现“高效率、高质量、低成本、低污染”地制备高强韧镁材。

发明内容

[0014] 本发明的内容是将铸态或变形态镁合金或镁基复合材料，进行深冷-低热循环处理，通过控制过程参数，制备出一种具有基体纳米晶态的镁材。

[0015] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0016] 第一步是原料准备： 对于铸造镁合金或镁基复合材料，通过熔炼-铸造方式制备镁材；对于变形镁合金，需再经过均质处理、挤压变形、固溶时效处理后续处理。

[0017] 第二步是深冷低热处理：将固态镁材置入深冷处理箱，从室温降低到液氮温度-196℃，冷却速度控制在40~80℃/s，随试样尺寸增大而减小，目的在于防止因急冷造成表面裂纹，造成样品损坏，冷处理时间20~120min，随样品尺寸增加而增加，冷处理结束后取出样品，准备进行低热处理；低热处理温度与镁材性质有关：对于铸造镁合金或镁基复合材料，可直接置于室温环境（-5~35℃均可），对于变形镁合金或镁基复合材料，加热到低于时效温度5℃的低热环境中；低热处理时间与镁材性质有关，对于变形镁合金或镁基复合材料，时间和镁合金或镁基复合材料的基体镁合金的时效处理时间相同，并在热处理后置于空气中冷却；对于铸造镁合金或镁基复合材料，时间设定为60~120min，处理时间随镁材尺寸增加而增加；第三步循环冷热处理：将一次冷热处理后的样品，重复第二步操作，进行第二次深冷低热处理；按照同样操作方法，进行第三次深冷低热处理直至第N次深冷低热处理，对于变形镁合金或镁基复合材料后一次的低热处理温度应比前一次的低热处理温度低5℃；综合考虑样品处理周期、实验成本等因素，循环次数设定为0~3次，所述0次指只进行1次深冷低热处理，依此类推，所述3次指进行了4次深冷低热处理，在该范围内，循环次数越多，纳米晶态特征就越明显。

[0018] 与其他文献相比，本发明的优点主要体现在以下几点：

[0019] （1）成效明显，与加入细化剂和挤压变形细晶等方法相比，冷热循环处理的细晶效果更明显，可以将晶粒细化到纳米尺度，镁材基体晶粒处于纳米级，具有纳米晶组织的镁材，其强度比未处理基体的强度高30~50%，其延伸率较未处理基体的延伸率高20~40%；

[0020] （2）成本低，与挤压变形细化镁材晶粒的专利和方法相比，冷热循环处理需要的装备简单，实施成本低；

[0021] （3）效率高，现有文献中，挤压变形是镁材晶粒细化效果最好的途径，但晶粒细化尺度达不到纳米级，深冷低热循环处理方法能较稳定地将镁材基体晶粒度控制在纳米级；

[0022] （4）操作简单，容易掌握，与细化剂和变形细晶方法相比，本发明采用的深冷低热循环处理具有操作简单，过程不可控因素少，容易掌握的优点，易于工业推广和普及。

附图说明

[0023] 图1 AZ91变形镁合金一次深冷低热处理后的透射组织图；

[0024] 图2 AZ31铸造镁合金两次深冷低热循环处理后的组织图；

[0025] 图3 Mg2Si强化AZ91镁基复合材料三次深冷低热循环处理后的组织图；

[0026] （a）纳米晶形貌（b）纳米晶衍射环。

具体实施方式

[0027] 以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

[0028] 实施例一： AZ91变形镁合金的“纳米基体晶态组织”的深冷低热循环处理：

[0029] 将半连续铸造得到的AZ91D镁合金经过均质处理、挤压变形、固溶时效处理后制成10*10*20的块体。

[0030] 一次深冷低热处理：将样品置入深冷处理箱中，冷却速度控制在80℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间30min，取出后放入石墨粉内，防止低热处理时氧化，置入热处理炉，低热时效温度195℃，即比常规时效温度200℃低5℃，时效时间4h，结束后进行组织测试，结果如图1所示，晶粒尺寸40-50nm。

[0031] 实施例二：AZ31铸造镁合金的“纳米基体晶态组织”的深冷低热循环处理：

[0032] 熔炼好的AZ31铸造镁合金通过重力铸造成型，制备成20*20*40的块体。

[0033] 第一次深冷低热处理：将试样置入深冷处理箱，冷却速度控制在60℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间80min，取出后放入空气中，放置时间80min；

[0034] 第一次深冷低热循环处理：再置入深冷处理箱，冷却速度控制在60℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间80min，取出后放入空气中，放置时间80min，结束后进行组织测试，结果如图2所示，晶粒尺寸30-40nm。

[0035] 实施例三：Mg2Si强化AZ91变形镁基复合材料的“纳米基体晶态组织”的深冷低热循环处理：

[0036] AZ91熔炼过程中加入Si，制备Mg2Si颗粒强化AZ91镁基复合材料，将半连续铸造得到的AZ91D镁基复合材料经过均质处理、挤压变形、固溶时效处理后制成30*30*60的块体。

[0037] 第一次深冷低热处理：将试样置入深冷处理箱中，冷却速度控制在40℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间120min；取出后放入石墨粉内（防止低热处理时氧化）置入热处理炉，低热时效温度195℃，时效时间4h。

[0038] 第一次深冷低热循环处理：将第一次处理后试样置入深冷处理箱中，冷却速度控制在40℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间120min；取出后放入石墨粉内（防止低热处理时氧化）置入热处理炉，低热时效温度190℃，时效时间4h。

[0039] 第二次深冷低热循环处理：将第二次处理后试样置入深冷处理箱中，冷却速度控制在40℃/s，直到液氮温度-196℃，冷处理时间120min；取出后放入石墨粉内（防止低热处理时氧化）置入热处理炉，低热时效温度185℃，时效时间4h。

[0040] 结束后进行组织测试，结果如图3所示，纳米晶尺寸30nm左右。