本發明涉及一種鎂合金，特別涉及一種高強度高塑性變形鎂合金材料及制備方法。
背景技術：
：鎂合金是最輕的金屬結構材料之一，具有高的比強度和比剛度，出色的尺寸穩定性和優良的減震性。同時，相比塑料，其回收性更勝一籌，無環境污染，被譽為“21世紀重要的綠色工程金屬結構材料”。近年來，隨著能源資源日趨緊張，鎂合金有望在汽車、電子、電器、航天航空領域獲得廣泛應用。低強度是限制鎂合金廣泛應用的關鍵，普通鎂合金(目前商用高強鎂合金材料mg-zn-zr合金，其典型的合金牌號如zk60，該合金抗拉強度只有340mpa)的絕對強度為100-350mpa，遠低于鋼的1000mpa和鋁合金的600mpa，嚴重影響鎂合金的使用范圍。為了發展高強度鎂合金，通常在鎂合金中加入大量的gd，y等重稀土元素，鎂合金的強度大大提高，同時，通過時效處理可進一步提高合金的強度。t.homma等人開發的mg-10gd-5.7y-1.6zn-0.6zr合金，擠壓態下其強度可達542mpa，屈服強度可達473mpa；c.xu等人研究的mg-8.2gd-3.8y-1.0zn-0.4zr經過擠壓，軋制，時效后其抗拉強度可達505mpa，屈服強度可達416mpa，y.kawamura等在材料學報-第42卷第7期第1172～1176頁上發表的文章“rapidlysolidifiedpowdermetallurgymg97zn1y2alloyswithexcellenttensileyieldstrengthabove600mpa”中公開了一種采用快速冷卻和粉末冶金(rsp/m)技術制備的mg97zn1y2鎂合金，該鎂合金雖然強度高達610mpa。雖然這些合金強度非常高，但是其塑性卻不是非常理想，同時，由于大量重稀土元素的加入以及復雜的制備工藝，成本也大大提高，難以在工業上廣泛應用。在鎂合金mg-y-zn中，當y/zn的原子比大于1時，會生成lpso相（長周期有序結構，最常見的有18r和14h型，化學式為mg12yzn），能顯著提高合金的力學性能。研究表明，降低層錯能（sfe）可以產生更多的層錯以及lpso結構。合金元素對鎂合金中的層錯能有顯著影響。在特定情況下，zn和y等元素能大大降低sfe，因此lpso結構在mg-y-zn合金中比較容易出現。但是，傳統的mg-y-zn合金中，如果只是通過退火和擠壓的工序，lpso結構并不能充分形成，因此其強度和塑性并不能得到充分的發揮，比如mg-3y-2zn合金退火擠壓后，雖然塑性能達到20%，但是抗拉強度僅有320mpa，而mg-6y-2zn合金通過退火擠壓后強度能達到360mpa，但是塑性只有8%。而y.kawamura公布的mg-6y-2zn合金雖然強度能達到600mpa，但是其加工制造成本太高，難以工業化生產。目前，要獲得強度較高的mg-y-zn合金必須通過復雜的工藝流程或者添加合適的微量元素。通過第一性原理的計算，sn元素能顯著降低鎂合金中層錯能，特別是基面{0001}<11-20>和錐面{11-22}<11-23>滑移系。因此，向mg-y-zn中加入sn不僅可以促進層錯和lpso相的生成，而且還能顯著細化晶粒，同時，sn還能與zn，y等元素結合生成含sn的高溫相，阻止位錯滑移，提高力學性能。技術實現要素：本發明的目的是提供一種高強度高塑性變形鎂合金材料及制備方法，本發明采用sn元素及熱處理對mg-y-zn合金進行顯微組織的調控，sn元素能極大促進退火后mg-y-zn合金中lpso的形成，并生成一些高溫合金相。熱擠壓后，晶粒顯著細化，lpso的高強度高韌性及含sn的高溫合金相的彌散強化作用能有效阻止熱擠壓過程中再結晶晶粒的長大，同時，在lpso層狀結構中析出的具有很高強度和塑性的ｉ-相，大大提高了合金的強度以及塑性。熱擠壓后其抗拉強度達到400mpa，延伸率最高可達到19%，顯著高于傳統商用高強度zk60變形鎂合金，且成本相比于常用高強鎂合金較低。本發明所述合金的制備方法簡單，具有極大的應用潛力。高強度高塑性變形鎂合金各組分的重量百分含量為：sn：0.1～0.5%；zn：1.5～3.0%；y:2.5～8.0%；不可避免的雜質≤0.10%；其余為mg，該合金經退火處理和熱擠壓得到。較好的技術方案是，所述合金中各組分的重量百分含量為：sn0.3~0.36%；zn1.96~2.0%；y3.0~6.0%；不可避免的雜質≤0.10%；余量為mg。較好的技術方案是，所述合金中各組分的重量百分含量為：sn0.3%；zn2.0%；y3.0%；不可避免的雜質≤0.10%；余量為mg。所述不可避免的雜質為fe，si，cr，其含量≤0.10%，雜質中各組分的重量百分含量為：fe＜0.028%，si＜0.030%，cr＜0.018%。高強度高塑性變形鎂合金的制備方法有以下步驟：1）按上述配比，取各組份原料，在氬氣保護氣氛下熔煉，溫度為740～750℃；2）各組分原料全部熔化后，保溫5min，溫度為720℃；3）合金溶液空冷至室溫，得到mg-y-zn-sn實心合金鑄錠；4）退火處理將步驟3）所得的實心合金鑄錠在500℃下保溫6h，空冷至室溫；5）熱擠壓將步驟4）鑄錠在350~400℃預熱1小時，熱擠壓，得到高強度高塑性變形鎂合金。步驟5）所述的熱擠壓的擠壓溫度為400~450℃，擠壓比為25:1，擠壓速率為0.60~1.20m/min。冶煉時，sn，zn以純sn和純zn加入，y以mg-30wt.%y中間合金形式加入，mg采用工業純鎂。本發明的有益效果：1.本發明向鎂合金mg-y-zn中加入少量的sn元素，該合金在鑄態下會形成sn3y5相以及大量的18r型的lpso相分布在晶界。在500℃退火6小時后，大量平行的層狀結構的14h型的lpso相在晶粒中析出，同時另一種高溫相mg-y-sn-zn以包圍著sn3y5的形式析出。在擠壓態合金中，高溫相mg-y-sn-zn被擠碎成細小的顆粒，沿著擠壓方向呈流線分布，而sn3y5相未被擠碎，呈顆粒狀均勻分布在基體中，強化基體，同時能有效促進動態再結晶，阻礙晶粒的長大，得到非常細小的再結晶晶粒（1～3um）。退火過程中形成的平行的層狀結構的14h型的lpso相以及在鑄態下形成的18r型的lpso相在擠壓過程中沿著擠壓方向分布，形成流線結構。在mg-3y-2zn合金中一些lpso相發生扭折，部分扭折角度甚至達到45°，顯示出極高的塑性。在lpso相的層狀結構之間，析出一種塑性極好的i相（準晶），部分i相的扭曲度達90°，極大提高合金的塑性，使得本發明合金具有高強度和高塑性。申請人的實驗表明，經擠壓之后，屈服強度最高可達302mpa，抗拉強度最高可達400mpa，明顯高于傳統商用高強變形鎂合金zk6o的屈服強度，同時具有非常理想的延伸率，應用前景廣闊。2.本發明工藝簡單，在500℃退火6h后即可擠壓，與現有的高強鎂合金的制備方法相比較，本發明的制備工藝簡單，容易操作和調控，所采用的設備如熔煉爐，熱擠壓機，油浴爐均為常規通用設備，具有可移植性強的特點。且對于一般的稀土鎂合金成本較低，應用價值較大。附圖說明圖１為本發明所述合金鑄態的顯微組織，其中ａ為mg-3y-2zn-0.3sn（實施例1）的鑄態組織，b為mg-4.5y-2zn-0.3sn（實施例2）的鑄態組織，c為mg-6y-2zn-0.3sn（實施例3）的鑄態組織；圖２為本發明所述合金退火態的顯微組織，其中ａ為mg-3y-2zn-0.3sn的退火組織，b為mg-4.5y-2zn-0.3sn的退火組織，c為mg-6y-2zn-0.3sn的退火組織；圖３為合金擠壓后的顯微組織，其中a，b分別為mg-3y-2zn-0.3sn橫截面和縱截面（沿擠壓方向）的顯微組織；c，d分別為mg-4.5y-2zn-0.3sn橫截面和縱截面的顯微組織；e，f分別為mg-6y-2zn-0.3sn橫截面和縱截面的顯微組織；圖４為mg-3y-2zn-0.3sn合金擠壓態高倍下的顯微組織，其中a為縱截面高倍顯微組織，b為橫截面高倍顯微組織，c為i相高倍顯微組織。圖5為本發明所述合金鑄態的xrd圖譜。具體實施方式實施例：mg-y-zn-sn合金中各組分的重量百分含量，見表1：表1重量百分比含量%　yznsnmg實施例13.02.00.394.7實施例24.52.00.393.2實施例36.02.00.391.7按照實例1~3中的成分，選擇本發明所需要的原材料，制備合金前的準備工作包括：打磨，去除原材料的表面的氧化物、雜質，然后以下面的方式進行熔煉以及加工。第一步：取各組份原料，置入真空電磁感應爐中，在氬氣保護氣氛下熔煉，溫度為740～750℃；第二步：合金全部熔化后，保溫5min，溫度為720℃，使合金更加均勻化；第三步：取出盛有合金溶液的鋼坩堝，放入鹽水中快冷約1分鐘，得到mg-y-zn-sn的ф85mm的實心合金鑄錠；第四步：退火處理，將第三步得到的ф85mm的實心合金鑄錠在500℃下保溫6h然后空冷。第五步：熱擠壓，擠壓前將退火處理后的鑄錠和擠壓模具在350~400℃預熱1小時,擠壓溫度為400~450℃，擠壓比為25:1,擠壓速率為0.60~1.20m/min,獲得直徑為16mm的鎂合金棒材。采用xrf-1800ccde型x射線熒光光譜儀，蔡司axiovert40mat金相顯微鏡，tescanvegaii掃描電子顯微鏡及libra200fe場發射透射電子顯微鏡對合金的成分、組織進行分析；采用新三思cmt-5105微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗測試合金的力學性能。表2本發明所述低稀土高強度高塑性鎂合金的力學性能合金屈服強度σ0.2/mpa抗拉強度σb/mpa延伸率δ/%商用zk-34010-15實施例125038118.9實施例228537811.5實施例33024008.0表2列出了商用zk60合金與本實施例合金性能對比，可見,本發明的合金(實施例1~3)具有比商用高強變形鎂合金zk60(時效態)更高的強度,特別是抗拉強度,顯著高于zk6o鎂合金，實施例1的鎂合金延伸率達19%左右，且抗拉強度也顯著高于zk60，是一種強度和塑形均優異的新型鎂合金材料。本發明的鎂合金材料制備方法簡單，可用于工業化生產。從xrd圖譜中可以看出（圖5），實施例中的合金由mg基體，mg12yzn相（18r型lpso）以及sn3y5相組成。掃描電鏡顯微組織形貌圖像中可以看出，鑄態下隨著y元素的增加，淺灰色相（18r型的lpso相）增多增厚（如圖1中的a~c），退火后合金析出層狀結構的14h型的lpso，分布在晶粒內（如圖2），其中mg-3y-2zn-0.5sn中的14h型的lpso相最多，布滿整個晶粒，而18r型的lpso相幾乎沒有（圖2（a）），隨著y元素的增加，18r型的lpso相和14h型的lpso都逐漸增多（圖2（b~c））。擠壓后，18r和14h型的lpso相都沿著擠壓方向呈流線分布（圖3），一些lpso相的扭折程度接近45°，表明lpso相具有非常好的塑性，。其中mg-3y-2zn-0.3sn的擠壓態組織中的層狀的14h的lpso相的層片狀之間分布著大量的i相（圖4），強度和塑性進一步提高。一些i相的彎曲程度達到90°，表明i相的塑性非常好，能大大提高合金的延伸率。同時，在鎂基體中均勻彌散地分布著細小的第二相顆粒，經能譜分析，表明這些顆粒為sn3y5以及mg-y-sn-zn顆粒，這些呈流線的lpso相以及被擠碎的第二相能有效促進動態再結晶的形成，組織動態再結晶晶粒的長大，(實施例中鎂合金的平均晶粒尺寸約3um)，阻礙位錯滑移，強化基體。最后說明的是,以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。當前第1頁12