氮气喷射沉积镁合金材料的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种氮气喷射沉积镁合金材料及其制备工艺，以纯镁、纯铝、纯锌、钙镁合金、纯锰、稀土镁合金为原料，按重量百分比分批加入，在气体或熔剂保护下进行镁合金熔炼，待熔体达到设定温度和保温时间后进行浇注并同时以雾化气体纯度在９９．５％以上的氮气下进行喷射沉积制成坯锭，经车削后以热挤压或锻造成型。本发明专利技术通过采用大比例添加Ｃａ而抑制氮化的镁合金成分设计，以及用氮气雾化实现喷射沉积工艺。可有效抑制有害的Ｍｇ↓［３］Ｎ↓［２］的生成，具有致密隔绝防止产生燃烧爆炸的安全特点，镁合金材料经变形强化后具有较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，同时由于喷射沉积快速凝固细晶强化的工艺特性，具有较好的坯料显微组织，且成本大幅下降，利于镁合金的规模应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料科学领域，尤其是采用喷射沉积快速凝固研制变形镁合 金材料及其制备工艺。
技术介绍
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、导热性好、尺寸稳定 和成本低等一系列优点，为材料的轻量化发展和减振降噪提供了一种具有发展潜 力的结构/功能一体化轻质新材料。然而镁合金要真正成为规模应用的主承力结 构材料，急需解决的就是采用如材料设计、制备工艺及变形强化等技术来提高镁 合金材料的强度和塑性。喷射沉积工艺是一种比较成熟的快速凝固制备大块体金属的工艺方法，它包 括金属液体的雾化和雾化的金属微粒沉积的两个过程，最终形成具有均匀分布的 等轴微细晶组织的金属材料，可有效提高金属材料的力学性能。相关研究证明喷 射沉积镁合金具有优于传统镁合金的力学性能，如美国Lavemia V， Jarry P, Regazzoni G， Apelian D在1992年27巻16期《材料科学杂志》中编写的《Sic 镁基复合材料工艺和微观组织的关系》LaverniaV， JarryP， Regazzoni G, Apelian D.Processing-Microstructure Relation-ships in Commpocast Magnesium/Sic.J Mater Sci， 1992， 27( 16): 4447报道的喷射沉积Mg-5.6Zn-0.3Zr和Mg-8.4Al-0.2Zr 合金在不影响强度的情况下，获得了更好的延伸率；FaureJF， Nussbaum G申 请的美国专利50733207《喷射沉积镁合金工艺》Faure JF， Nussbaum G， Process for Obtaining Magnesinm Alloys by Spray Deposition. USPatent 50733207， 1991 ，艮 道的喷射沉积Mg-7 Al-4.5. Ca-1.5 Zn-1.0Re合金的抗拉强度为480 Mpa，延伸率 为5%;德国TU-Clausthal研究所开发的喷射沉积AE42合金相比于传统铸造 AE42合金强度提高48%。但是镁是一种非常活泼的金属，镁合金喷射沉积过程由于产生大量易燃的过 喷镁粉，需要特别注意安全问题。上述喷射沉积镁合金都釆用的是成本高昂的氩 气或氦气进行雾化，无疑导致喷射沉积镁合金的成本居高不下，严重影响了喷射 沉积镁合金的规模应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术镁合金材料制备高成本、不安全问 题，提供一种用氮气喷射沉积工艺，以提高镁合金的氮化惰性和安全性，并降低 高强镁合金的制造成本，进而扩大高性能镁合金的规模应用的氮气喷射沉积镁合 金及其制备工艺。本专利技术的技术问题通过以下技术方案解决一种氮气喷射沉积镁合金材料，其特征在于该合金的各组分的重量百分比为转Ca 5 10%，铝Al 1 14%,锌Zn 1 8%,稀土NdO 20/0， 锰Mn 0 1%，其余为镁Mg。一种氮气喷射沉积镁合金材料的制备工艺，其特征在于该工艺包括(1) 镁合金的熔炼在气体或熔剂保护下的熔化炉内，按重量百分比将纯 Mg投入熔化后，再分别将纯A1、纯Zn加入到熔体中至熔化，在熔体温度达到 680 72(TC时将含Ca 40 % wt.的Mg-Ca中间合金分批加入，直至完全熔化，在 熔体温度达到750'C后，最后将铝箔包好的化学纯Mn片和含Nd 10 % wt.的 Mg-Nd中间合金分批加入，直至完全熔化，在熔体温度达到850 90(TC时保温 20 40分钟后，使用工具进行搅拌直至均匀后，在气氛保护条件下将烙体浇注 入喷射沉积的导流漏斗中；(2) 镁合金的喷射沉积经熔炼的镁合金熔体经导流漏斗浇注入喷射沉积 设备的同时，雾化气体以纯度在99.5%以上的氮气同时喷入，在下列设备工艺参 数条件下进行喷射沉积雾化气体压力为0.6 0.8 Mpa，雾化器扫描频率为 23.5Hz，沉积器旋转频率为3.2Hz，沉积距离为650 680mm，沉积器下行速度为 1. 0 1. 5mm/s,镁合金熔体流率为5 7kg/min，雾化气体流率为10 20NmVmin， 在雾化、沉积过程中制成镁合金圆锭；(3) 将上述镁合金圆锭进行车削扒皮后，移至热挤压设备加热至280 380 'C时保温3 5小时后，采用16: l的挤压比，热挤压制成相应尺寸的棒材或壁 厚不小于5mm的管材；或加热至300 35(TC时保温3 5小时后，移至锻压设备 锻造成型。与现有技术相比，本专利技术通过采用大比例添加Ca而抑制氮化的镁合金成分 设计方法，以及用氮气雾化镁合金熔体实现喷射沉积的工艺，其氮化产物为Mg 和Ca的复合氮化物膜，可有效抑制有害的Mg3N2的生成，具有致密隔绝不会产生燃烧爆炸的安全问题；结合全密封管路的过喷镁粉收集措施，完全可实现大块 体镁合金材料的喷射沉积工艺制备；进一步采用热挤压工艺对喷射沉积镁合金进 行变形强化后，可以制成抗拉强度在450 480Mpa以上，屈服强度在360 380 Mpa之间，延伸率在5 10%以上的高强镁合金材料。同时，由于喷射沉积快速 凝固的工艺特性，镁合金沉积坯料显微组织为3 10um的等轴晶粒，沿晶析出 相主要为不连续Al2Ca相，没有形成传统熔铸工艺制备的高Ca镁合金中粗大汉 字状的Al2Ca相。进一步对镁合金喷射沉积坯料进行热变形加工后，沿晶析出的 Al2Ca相破碎细化，尺度为liim左右，此时镁合金的晶粒度约为3wm左右。 因此，细晶强化和弥散的Al2Ca第二相强化是本专利技术制备的镁合金材料的重要强 化机制。另外，采用EDX能谱分析、ICP荧光光谱分析后，测得氮气喷射沉积 镁合金坯料的氮含量为150 400ppm，尽管氮含量有所偏高必然对材料性能造成 一定的影响，但相比于采用氩气或氦气雾化，采用氮气雾化制备镁合金成本会大 幅下降，有利于喷射沉积高强度镁合金的规模应用，适宜于制作壳类、板材、棒 材等零件。 具体实施例方式实施例l:按重量百分比镁合金成分为Ca6.5%， A114%， Zn3%， Nd 1%， Mn0.2%，其余为Mg;工艺步骤如下(1) 、按25kg装炉量配好炉料，(1)在熔剂保护下，将纯镁熔化后，分别 将纯Al、纯Zn加入到熔体中至熔化，(2)在熔体温度达到70(TC时将含Ca 40 % wt.的Mg-Ca中间合金分批加入，直至完全熔化，(3)在熔体温度达到750'C后， 将铝箔包好的化学纯Mn片和含Nd 10% wt.的Mg-Nd中间合金分批加入，直至 完全熔化，(4)在熔体温度达到850'C时保温40分钟后，使用工具搅拌均匀后， 在氮气气氛保护条件下将熔体浇注入喷射沉积的导流漏斗中；(2) 、喷射沉积镁合金采用的雾化气体为纯度在99.5%以上的氮气，雾化气 体压力为0.7Mpa，雾化器扫描频率23.5Hz，沉积器旋转频率为3. 2Hz，沉积距 离为650mm，沉积器下行速度为1.2mm/s，镁合金熔体流率为5kg/min,雾化气 体流率为15NmVmin;(3) 、将镁合金圆锭车削扒圆至cH20ram，移至热挤压设备加热至30(TC保温 4.5小时后，采用16: l挤压比，在10MN正向挤压机上热挤压制成4)30mm棒材。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮气喷射沉积镁合金材料，其特征在于该合金的各组分的重量百分比为：钙Ｃａ５～１０％，铝Ａｌ１～１４％，锌Ｚｎ１～８％，稀土０～２％，锰Ｍｎ０～１％，其余为镁Ｍｇ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，辛海鹰，翟景，秦占民，郭安振，马力，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五二研究所，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]