一种可变形低膨胀镁合金

摘要

本发明公开了一种可变形低膨胀Mg‑Zr合金，该合金不仅具有低的线膨胀系数，同时具有良好的塑性加工性能。通过粉末冶金途径并结合高温退火工艺，可合成组织致密、成分均匀的低膨胀、可变形加工的Mg‑Zr合金。该镁合金基体中Zr的含量高达35～45wt％，在0～300℃温度范围内升/降温时，该合金的线膨胀系数为12.6～14.8×10‑6/℃。同时，该合金材料的室温力学性能良好，抗拉强度为224.1～248.5MPa，伸长率为13.0～15.6％。

权利要求

1.一种可变形低膨胀Mg-Zr合金的加工方法，所述合金中Zr元素含量为35～45wt％，其余为镁；所述方法包括以下步骤：

1)将35～45wt.％的锆粉与镁粉混合，得到混合物；

2)将步骤1)所得混合物在压力下烧结成形，得到Mg-Zr合金；

外部压力控制在85～100MPa范围内；

3)对步骤2)所得Mg-Zr合金进行热处理；所述热处理在氩气保护下进行，温度为500～

520℃，保温时间为2～4h。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤2)中所述压力控制在85～100MPa范围内，所述烧结的温度控制在600～620℃范围内，保温30～40min。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤1)在氩气保护下进行。

说明书

一种可变形低膨胀镁合金

技术领域

[0001] 本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种低膨胀、可变形Mg-Zr合金。

背景技术

[0002] 在深空探测领域，材料须承受-200～200℃范围的交变温差及持续的空间辐照考3
验。镁合金材料为当前最轻的金属结构工程材料(比重为1.74g/cm 左右)，然而高的膨胀系数(2.7×10-5/℃)导致镁合金太空零部件较差的稳定性，限制了其在国防军工及航天航空领域中的推广与应用。Si颗粒膨胀系数低，且比重小，因而通常作为传统低胀复合材料常用的增强相，如一些低膨胀铝合金中Si 元素含量超过50wt％，且多采用粉末冶金成形。高Si含量一方面保证材料的线膨胀系数显著降低，另一方面也导致了极为严重的负面效应：1)硅为刚性相，几乎不参与材料内部变形过程，变形过程中在Mg/Si界面会产生急剧的应力集中；2)Si与铝、镁或发生共晶反应，或在Mg、Si界面形成脆性Mg2Si相；因而， Si元素大量加入不可避免地导致镁合金强烈的脆性，致使该类合金塑性极低，几乎没有塑性成形的可能性。

[0003] 金属锆与镁同为密排六方晶体结构，两者具有良好的热力学相容性。金属锆熔点高，线膨胀系数为4.4～6.72×10-6/℃。纯镁的屈服强度为90～105MPa，抗拉强度为160～195MPa，伸长率在3～15％之间；锆力学性能优良，其伸长率可达18％，屈服强度在138MPa左右，抗拉强度接近300MPa。在镁合金化实践中，Zr通常作为一种晶粒细化剂添加到镁合金熔体中，以改善镁基体的塑性，但其含量一般难以超过0.8wt％，主要因为镁与锆熔点与比重相差悬殊所致。以氟锆酸钾形式加 Zr，在镁中含量也不超过30wt％，且其Zr元素在镁中分布均匀性差，通常只能作为Mg-Zr中间合金用于镁合金的熔炼与合金化。

[0004] 众所周知，一种合金元素大量添加到被合金化元素中时，通常导致金属明显的脆性。主要因为大量共晶相或脆性的金属间化合物相的生成。本发明选择Mg、 Zr进行低胀合金化，来替代传统Mg-Si系低膨胀合金，并采用粉末冶金途径来合成含锆35～45wt.％的Mg-Zr合金，该合金具有以下实质性特征：1)镁基体与增强相界面结合状态与界面力学性能得到大幅改善，无共晶相的形成，取而代之的是Zr浓度梯度层出现；2)在塑性变形过程中Mg相与Zr相均参与变形，且具有变形的协调性与一致性。

发明内容

[0005] 本发明针对现有镁合金材料线膨胀系数过高提出一种低膨胀镁锆合金，与传统Mg-Si系低膨胀合金相比，该合金具有延展性好，可进行塑性加工成形等优点。本发明的具体技术方案如下。

[0006] 一种可变形低膨胀Mg-Zr合金，其中合金的化学成分为：锆35～45wt％，其余为Mg。

[0007] 上述可变形低膨胀Mg-Zr合金的加工方法，包括以下步骤：：

[0008] 1)在氩气保护下，将35～45wt.％的锆粉与一定比例的镁粉充分混合；

[0009] 2)待两者充分混合后，使其在外加压力下烧结成形，外部压力控制在 85～100MPa范围内，烧结温度控制在600～620℃范围内，保温30～40min；

[0010] 3)在氩气保护下对Mg-Zr合金进行热处理，热处理温度为500～520℃，保温时间为2～4h。

[0011] 本发明的有益技术效果为：1)镁合金线膨胀系数大幅降低的同时塑性成形性能得到显著改善，使低胀镁合金塑性加工成为可能；2)合金的强度与耐蚀性也随之明显提高。

具体实施方式

[0012] 以下结合实施例对本发明作进一步详述。

[0013] 实施例1

[0014] 一种二元Mg-Zr低膨胀镁合金材料，其中Zr元素含量为35.0wt％左右，其余为镁；在氩气保护气氛下，将35wt.％的锆粉与一定比例的镁粉充分混合。待两者充分混合后，使其在外加压力下烧结成形，外部压力控制在85MPa左右，烧结温度控制在600℃左右，保温
30min左右；后续热处理在氩气保护下进行，热处理温度为500℃左右，保温时间为2h。0～
300℃温度范围内测试，该材料的线膨胀系数为14.8×10-6/℃(GB/T 4339-2008)。室温下测试力学性能 (ASTM/B557M)，抗拉强度为224.1MPa，伸长率为13.0％。

[0015] 实施例2

[0016] 一种二元Mg-Zr低膨胀镁合金材料，其中Zr元素含量为45.0wt.％左右，其余为镁；在氩气保护气氛下，将45wt.％的锆粉与一定比例的镁粉充分混合。待两者充分混合后，使其在外加压力下烧结成形，外部压力控制在100MPa左右，烧结温度控制在620℃左右，保温
40min左右；后续热处理在氩气保护下进行，热处理温度为520℃左右，保温时间为4h。0～
300℃温度范围内测试，该材料的线膨胀系数为12.6×10-6/℃(GB/T 4339-2008)。室温下测试力学性能 (ASTM/B557M)，抗拉强度为248.5MPa，伸长率为15.6％。

[0017] 上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。