一种高模量镁合金及其快速制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种高模量镁合金及其快速制备方法和应用，尤其涉及一种利用超声振动压缩加工获得具有高模量的镁合金的快速制备方法，属于镁合金材料加工技术领域。

背景技术

镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，抗震、降噪能力强、易于机械加工等诸多优异的性能，在航空航天、汽车、电子产品等诸多领域都有良好的应用前景。尤其，随着近年来新能源汽车领域的快速发展，镁合金作为典型的轻量化材料，其应用受到越来越多的关注。然而，由于镁合金的弹性模量低导致其刚度不够，限制了镁合金作为结构材料在很多领域的应用。

常规镁及其合金的弹性模量通常在40GPa左右。当前提高镁合金弹性模量的方法主要有两种【Journal of Magnesium and Alloys 10(2022)2009–2024】：一是通过在镁合金中添加Si、Gd、Y、Ag等合金元素促使合金中形成高熔点和高弹性模量的第二相颗粒；二是通过向镁合金中添加高模量的增强体(颗粒、晶须、短/长纤维)，如SiC、Al

金属材料的弹性模量与其微观上的原子间结合力有关，与晶粒尺寸、位错密度、织构等微观组织特征关联不大，因此，通过调控现有的各类塑性加工、热处理等材料加工工艺无法实现镁合金弹性模量的有效提升。

针对上述问题，本发明提出了一种在不改变镁合金成分的条件下、利用超声振动压缩加工获得具有高模量的镁合金的快速制备方法。

发明内容

针对镁合金弹性模量低的问题，本发明的目的是提供一种利用超声振动压缩加工获得具有高模量的镁合金的快速制备方法，通过选定常规的AZ系列商业镁合金，利用特定超声振动压缩加工促使固溶镁合金中快速形成高密度变形带，诱导纳米级/亚微米级Mg

同时，本发明提供一种采用利用超声振动压缩加工获得的具有高模量的镁合金。

同时，本发明提供一种上述镁合金在航空航天、汽车、电子产品中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高模量镁合金的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤一，镁合金热处理：将镁合金进行固溶处理；

步骤二，镁合金预处理：将上述镁合金切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光；

步骤三，超声振动压缩加工：将上述镁合金圆柱置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，超声振动压缩加工的振幅为30～50μm，频率为20000～40000Hz，时间为0.4～2s，获得高模量镁合金。

镁合金固溶处理温度为400～420℃，保温时间为18～30h，保温结束后水冷。

超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面。

超声振动压缩加工每个振动周期的触发条件为超声振动压头与镁合金圆柱相接触。

镁合金为AZ系列镁合金，且合金中Al元素的质量分数≥3％。

AZ系列镁合金包括AZ31镁合金、AZ61镁合金、AZ80镁合金或AZ91镁合金。

一种高模量镁合金的快速制备方法获得的镁合金，镁合金基体中形成了相互交叉成网状的变形带，变形带内析出亚微米级的Mg

亚微米级为小于1μm；纳米级为小于100nm。

镁合金的弹性模量为52～65GPa。

一种高模量镁合金的快速制备方法获得的镁合金在航空航天、汽车、电子产品中的应用。

本发明首先利用固溶处理获得具有过饱和单相固溶体组织的AZ系镁合金，随后利用特定工艺的超声振动压缩实现该固溶态镁合金的模量显著提升，具体原理为：(1)在超声振动加工作用下，为配合高频振动压缩所带来的应变，合金开启了新的变形机制——变形带来协调变形，因此合金中出现了高密度的变形带，由于振幅选用相对较小，为30～50μm，在该范围内可以促进镁合金中变形带细小和数量增加，形成具有交叉网状结构的变形带网络。(2)高频超声振动压缩加工由于高能量的输入，会促使镁合金变形、位错密度提升和温度提升，在力-温度耦合作用下，过饱和固溶体会发生脱溶析出，且析出相优先在位错聚集区域和变形带内这些具有高速扩散通道的缺陷处产生，因此具有高模量的Mg

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明获得的AZ系列镁合金的弹性模量显著提高，可达到48～65GPa，优于现有采用合金化方法获得的各类高模量镁合金，达到高增强体含量的镁基复合材料的弹性模量水平；

(2)该加工方式简单、时间短、效率高，具有广阔的工业应用前景。

(3)本发明获得的AZ系列镁合金，变形带内形成了大量的尺寸小于1μm的Mg

(4)本发明利用“超声振动”作为“压缩”的技术，超声压头每与样品接触，就发生一个周期内的振幅作用，即本发明采用超声振动来压缩样品促使样品发生变形。

本发明可广泛用于Al元素的质量分数≥3％的商用AZ系列镁合金，本发明利用特定超声振动压缩加工促使固溶镁合金中快速形成高密度变形带，诱导纳米级/亚微米级Mg

附图说明

图1是本发明经超声振动压缩AZ91合金中形成的高密度变形带的SEM照片；

图2是本发明经超声振动压缩AZ91合金中变形带内的SEM照片。

图3是本发明经超声振动压缩AZ91合金的TEM照片。

图4是本发明经传统压缩和超声振动压缩加工的AZ91镁合金中镁基体相的特征峰XRD结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

将AZ31镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为400℃，保温时间为18h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端(即一个底面)进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为30μm，超声振动压缩的频率为40000Hz，超声振动压缩加工的时间为0.4s，经上述加工获得高模量镁合金。

实施例2

将AZ61镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为410℃，保温时间为24h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为40μm，超声振动压缩的频率为20000Hz，超声振动压缩加工的时间为2s，经上述加工获得高模量镁合金。

实施例3

将AZ80镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，保温时间为30h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为50μm，超声振动压缩的频率为30000Hz，超声振动压缩加工的时间为1s，经上述加工获得高模量镁合金。

实施例4：

将AZ91镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，保温时间为24h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为40μm，超声振动压缩的频率为20000Hz，超声振动压缩加工的时间为0.4s，经上述加工获得高模量镁合金。

实施例5：

将AZ91镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，保温时间为24h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为40μm，超声振动压缩的频率为20000Hz，超声振动压缩加工的时间为1s，经上述加工获得高模量镁合金。

实施例6：

将AZ91镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，保温时间为24h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用超声振动压头对圆柱的一端进行超声振动压缩加工，其中超声振动压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，每个振动周期的触发条件为压头与样品相接触，超声振动压缩加工的振幅为40μm，超声振动压缩的频率为20000Hz，超声振动压缩加工的时间为1.5s，经上述加工获得高模量镁合金。

对比例1：

将AZ91镁合金进行固溶处理，固溶处理温度为420℃，保温时间为24h，保温结束后水冷。随后将其切割成圆柱状，对圆柱的两个底面和柱面进行打磨和抛光。最后将其置于工作台，利用常规压缩测试装置(电子万能试验机)对圆柱的一端进行压缩，其中压缩压头与镁合金圆柱的接触面为平面，且该平面的面积大于镁合金圆柱的截面，压缩速率为0.5mm/min，压缩变形为25％，获得常规压缩后的镁合金。

表1为实施例4-实施例6和对比例1的弹性模量对比。可以看出，本发明实施例4-实施例6获得的AZ91镁合金与对比例1采用传统压缩制备的AZ91镁合金相比，本发明的弹性模量显著提高。图1-图4显示了实施例6经超声振动压缩后AZ91镁合金的微观组织特征图片，可以看出，在合金中形成了高密度且相互交叉成网状的变形带(图1)，进一步的，在变形带内(图2)和基体内(图3)析出了具有高模量的微米级和纳米级的Mg

此外，与现有文献中获得的各类AZ91镁合金以及其他系列镁合金相比，本发明的弹性模量明显更优异。常规加工方式以及剧烈塑性加工制备的AZ91镁合金的弹性模量低于50GPa(文献【1，2】)，而近年来开发的各类含Gd、Y、Ag等昂贵合金元素的镁合金的弹性模量在50-53GPa范围内(文献【3-5】)。尤其，与各类增强体增强的镁基复合材料相比(文献【6-8】)，本发明工艺简单、成本更低，各方面具有显著的竞争力。

表1本实施例与各类镁合金弹性模量对比

【1】黄巍,李荻.300℃等温处理时间对AZ91D压铸镁合金组织和性能的影响[J].材料热处理学报,2006(02):37-41.

【2】朱世凤,王艳彬,陈嫚丽,等.等径角挤压制备AZ91D镁合金的组织与性能[J].精密成形工程,2011,3(03):1-4.

【3】T.Tu,X.H.Chen,C.Y.Zhao,Y.Yuan,F.S.Pan.A simultaneous increase ofelastic modulus and ductility by Al and Li additions in Mg-Gd-Zn-Zr-Ag alloy,Mater.Sci.Eng.,A,771(2020)138576.

【4】X.M.Zhang,J.L.Hu,L.Y.Ye,Y.L.Deng,C.P.Tang,L.Yang,Z.Y.Liu.Effectsof Si addition on microstructure and mechanical properties of Mg-8Gd-4Y-Nd-Zralloy,Mater.Des.,43(2013)74-79.

【5】T.Tu,X.H.Chen,T.Chen,Y.Yuan,F.S.Pan.New high-modulus and high-strength Mg-Gd-Ag-Mn-Ge alloys,Mater.Sci.Eng.,A,805(2021)140559.

【6】S.Aravindan,P.V.Rao,K.Ponappa.Evaluation of physical andmechanical properties of AZ91D/SiC composites by two step stir castingprocess,J.Magnesium Alloys,3(2015)52-62.

【7】刘贯军,李文芳,马利杰,彭继华.硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面微观结构及力学性能[J].复合材料学报,2008(06):156-159.

【8】S.Y.Liu,F.P.Gao,Q.Y.Zhang,X.Zhu,W.Z.Li,Fabrication of carbonnanotubes reinforced AZ91D composites by ultrasonic processing,Trans.Nonferrous Met.Soc.China,20(2010)1222-1227.

表2晶格参数的变化

应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。