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CN103643064B - 一种制备lpso相增强的镁合金梯度材料的方法 - Google Patents

一种制备lpso相增强的镁合金梯度材料的方法 Download PDF

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陈亮维
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Abstract

本发明涉及一种制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，属于金属间化合物制备技术领域。首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加；将上述步骤制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热除掉水汽，然后通入保护气体进行熔炼；完成熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。该方法通过单向冷却过程中密度较小的Mg元素向上扩散，密度较大的Zn、Y原子向底部沉降，得到LPSO相增强的梯度材料。

Description

一种制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法
技术领域
本发明涉及一种制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，属于金属间化合物制备技术领域。
背景技术
研究表明，金属间化合物由金属键、共价键、离子键共同组成，所以具有独特的物理、化学、电、磁学和力学性能。LPSO（Long period stacking ordered）相集中了陶瓷和金属的优点，表现出优异的抗蠕变性能、储氢性能以及优良的导热性能、耐氧化性能和抗酸碱腐蚀性能。增加镁合金中LPSO增强相体积百分比，制备成高体积百分比LPSO相增强镁合金，甚至高纯度的LPSO相，利用LPSO相所具有的耐磨、耐蚀、耐热和抗蠕变性能等优越的特性。因此将LPSO增强相含量沿某方向呈连续梯度变化，制备成梯度复合材料，就可使该材料的一端具备有金属间化合物的性能，呈现耐磨、耐蚀、耐热和抗蠕变性能等优越的特性。而另一端则具有基体合金的性能，表现出良好的抗震性能和塑韧性。这样的材料设计，可以避免金属间化合物与金属材料直接结合以及热膨胀时形成的应力集中问题，因而在航空航天、汽车及生物医学方面具有广泛的应用前景。
如何控制镁合金中LPSO相含量的梯度变化是制备该种材料的一个难点。
根据专利查新的结果，制备LPSO相增强的镁合金梯度材料国内外尚无其他任何报道。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种镁合金中制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法。该方法通过单向冷却过程中密度较小的Mg元素向上扩散，密度较大的Zn、Y原子向底部沉降，得到LPSO相增强的梯度材料，且在最终的产品中LPSO相百分比占镁合金的95%以上，本发明通过以下技术方案实现。
一种制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到300℃~400℃时保温10~50min除掉水汽，然后通入保护气体并以5~10℃/min的升温速率升至700~780℃条件下熔炼1~3h；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以2~5℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
所述Mg、Y、Zn的原子个数比为21~79：1.3~3：1~2。
上述纯镁、纯钇、纯锌的纯度为99.98%以上。
上述方法可采用图1的装置制备LPSO相增强的镁合金梯度材料，首先将纯镁块放入到坩埚中，然后按照从下到上的顺序将纯锌块、Mg-Y合金块叠加到纯镁上，在此过程中使上述金属块的尺寸与坩埚相近；然后将坩埚放入如图1的装置中，通过顶部电阻丝5和底部电阻丝6使坩埚的上部和下部加热，当熔炼完成后关闭底部电阻丝6，并开启水冷装置向坩埚底部通入冷却水，此时继续打开顶部电阻丝5但是通过设定冷却速度将加热温度调整至300℃以下，单向冷却结束后，关闭顶部电阻丝5，即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
本发明的有益效果是：（1）制备出LPSO相增强的镁合金梯度材料，LPSO相含量由上到下成单向梯度变化，LPSO相的含量得到有效控制；（2）采用定向凝固中元素的宏观偏析现象制备LPSO相增强的镁合金梯度材料，可以通过调节静置温度、时间以及冷却的速率来控制LPSO相在基体中所占百分比；（3）由于采用宏观元素偏析的方式对LPSO相的含量进行调控，LPSO相在基体材料中含量的变化是渐进连续的，不需要其他设施辅助，并且能够在凝固过程中一次成型，操作简单、方便，所生产的材料质量稳定，适合与大批量生产梯度材料；（4）由于LPSO相由共价键、金属键、离子键等组成，具有独特的特性，例如具有优异的吸氢性能、耐腐蚀和抗氧化性能、成形性能。制备出LPSO相梯度材料，可以进一步提高镁合金的使用寿命和服役环境，并且成功制备梯度LPSO相增强镁合金梯度材料后，能够进一步发掘LPSO相增强镁合金梯度材料在功能材料方面的应用潜力，扩大镁合金梯度材料的使用范围，推动LPSO相增强镁合金梯度材料在航空航天、汽车、能源和生物方面的应用。
附图说明
图1是本发明可采用的装置示意图；
图2是本发明实施例1制备得到的镁合金梯度材料上、中、下部位的XRD图；
图3是本发明实施例1制备得到的镁合金梯度材料上部位(a)的形貌图；
图4是本发明实施例1制备得到的镁合金梯度材料中部位(b)的形貌图；
图5是本发明实施例1制备得到的镁合金梯度材料中部位(c)的形貌图；
图6是本发明实施例1制备得到的镁合金梯度材料下中部位(d)的形貌图；
图中：1-保温层，2-坩埚，3-热电偶，4-水冷装置，5-顶部电阻丝，6-底部电阻丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加，其中Mg、Y、Zn的原子个数比为57：1.5：1，纯镁、纯钇、纯锌的纯度为99.98%以上；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到350℃时保温30min除掉水汽，然后通入保护气体并以10℃/min的升温速率升至720℃条件下熔炼1h，其中保护气体为Ar气；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以3℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
上述制备得到的镁合金为LPSO相梯度材料，该上、中、下部分的XRD图和形貌图如图2至6所示。
实施例2
该制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加，其中Mg、Y、Zn的原子个数比为79：3：2，纯镁、纯钇、纯锌的纯度为99.98%以上；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到400℃时保温，10min除掉水汽，然后通入保护气体并10℃/min的升温速率升至780℃条件下熔炼1h，其中保护气体为SF6和CO2的混合气体；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以2℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
实施例3
该制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加，其中Mg、Y、Zn的原子个数比为21：1.3：1，纯镁、纯钇、纯锌的纯度为99.98%以上；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到300℃时保温50min除掉水汽，然后通入保护气体并5℃/min的升温速率升至700℃条件下熔炼3h，其中保护气体为Ar气；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以5℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
实施例4
该制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加，其中Mg、Y、Zn的原子个数比为50：1.4：1，纯镁、纯钇、纯锌的纯度为99.98%以上；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到360℃时保温20min除掉水汽，然后通入保护气体并8℃/min的升温速率升至740℃条件下熔炼2h，其中保护气体为Ar气；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以4℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。

Claims (2)

1.一种制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先将纯镁与纯钇混合加工制备成Mg-Y合金块，然后将纯镁块、纯锌块、Mg-Y合金块按照从下到上的顺序叠加；
（2）将步骤（1）制备得到的叠加金属块分成上部和下部两部分加热，将两部分同时加热到300℃~400℃时保温10~50min除掉水汽，然后通入保护气体并以5~10℃/min的升温速率升至700~780℃条件下熔炼1~3h；
（3）完成步骤（2）熔炼过程后，停止下部的加热并通入冷却水对下部进行冷却，上部以2~5℃/min的冷却速度将加热温度调整至300℃以下进行单向冷却，然后停止上部的加热，冷却至室温后即能制备得到LPSO相增强的镁合金梯度材料。
2.根据权利要求1所述的制备LPSO相增强的镁合金梯度材料的方法，其特征在于：所述Mg、Y、Zn的原子个数比为21~79：1.3~3：1~2。
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