一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法技术

本发明专利技术公开了一种提高镁合金细化效果的Mg‑Zr中间合金预处理方法，包括使用高频脉冲交流TIG焊对Mg‑Zr中间合金板材进行多道次填丝加工的步骤，使得Zr颗粒在高频脉冲电流扰动下分散，同时在电弧高温环境下扩散溶解形成Zr溶质原子。熔池在带有水冷的铜座上凝固，使得大量的Zr溶质原子被固溶进镁基体中。本发明专利技术中的预处理方法不仅实现了Mg‑Zr中间合金中大颗粒Zr向小颗粒Zr的转变，还实现了小颗粒Zr向溶质原子Zr的转变。通过本发明专利技术预处理后的Mg‑Zr中间合金对镁合金细化效果更好、衰退时间更长，且工艺流程短、操作灵活方便。

【技术实现步骤摘要】
一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法
本专利技术属于镁合金
，涉及一种镁合金凝固组织的细化工艺方法，具体地说，涉及一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法。
技术介绍
镁及镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，它们具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能优异、电磁屏蔽性能强等一系列的优势，在航空航天、地面运输及3C产品等领域都获得了广泛应用。根据霍尔佩奇公式σy＝σ0+kyD-1/2，镁合金的ky值较高，因而通过细晶强化以提高镁合金的强度具有重要意义。目前Zr对不含Al、Mn、Si、Fe的铸态镁合金是最有效的细化剂。Zr的加入还可以减小镁合金的热裂倾向，提高合金的强度、塑韧性和耐腐蚀性能。当Zr的添加量在0.5～1.0％之间时，即可在镁合金中获得细小的等轴晶。Zr在镁合金中通常有两种存在形式，即未溶解的颗粒Zr和溶解于镁基体中的溶质原子Zr。由于Zr与Mg同为密排六方结构，且两者的晶格常数接近，因而尺寸合适的颗粒Zr可以作为Mg的异质形核核心，在凝固过程中可以提高形核率达到细化晶粒的目的。同时，相比于镁中其他常见的合金元素，溶质原子Zr对Mg枝晶的生长抑制效果最强，其对α-Mg枝晶的生长抑制因子高达38.29。换言之，溶质Zr是通过产生强烈的成分过冷效应来细化组织。虽然颗粒Zr和溶质Zr均对镁合金具有一定细化效果，但大量研究证明溶质Zr对晶粒细化的贡献要优于颗粒Zr。同时，与溶质Zr相比，由于颗粒Zr与Mg的密度差异较大而极易在镁熔体中发生沉降，导致颗粒Zr的细化衰退效应明显。然而，传统的Mg-Zr中间合金中Zr颗粒团聚明显，Zr颗粒尺寸普遍较大。大尺寸的Zr粒在实际熔炼过程中不易分散溶解，反而由于密度较大而发生沉降。因此传统Mg-Zr中间合金对镁合金的细化效果不佳。同时由于Zr颗粒的沉降导致Zr的收得率低，提高了合金制备成本。为了提高细化效果、延长细化衰退时间、降低生产成本，在实际铸造生产过程通常通过提高加Zr温度、延长保温时间以及施加熔体搅拌等措施，促进颗粒Zr尺寸细化以及颗粒Zr通过扩散、溶解等方式向溶质Zr转变。但是延长熔体在高温下的停留时间，甚至是在高温下进行搅拌都会导致镁熔体发生强烈氧化，这无疑提高了后续精炼工艺的难度，降低了熔体的制备质量。为此，学术界和工业界都开展了大量的理论研究和技术开发期望能够改善Mg-Zr中间合金中Zr的存在状态而提高其细化效果。经文献检索发现，ImprovementingrainrefinementefficiencyofMg–Zrmasteralloyformagnesiumalloybyfrictionstirprocessing(通过搅拌摩擦加工提高Mg-Zr中间合金对镁合金晶粒细化效果)(《JournalofMagnesiumandAlloys》2014；2：pp239-244)中记载了对Mg-30wt％Zr中间合金进行搅拌摩擦加工预处理，通过打碎、分散大尺寸的Zr颗粒来提高Mg-Zr中间合金的晶粒细化效果。但是作为一种固态成形工艺，搅拌摩擦加工只能改变Zr颗粒尺寸，且对Zr粒的破碎效果极为有限，并且FSP设备大型，操作复杂，工艺流程较长。CN101798635A公开了一种镁合金熔炼的Zr复合饼及其制备方法，其首先将一层Zr盐饼置于两层覆层盐饼中通过挤压加工成复合饼，随后将复合饼压入镁熔体中使其熔化产生大量的Zr溶质原子以达到细化效果。由于Zr盐能向熔体提供大量溶质Zr，细化效果较Mg-Zr中间合金要好得多。但经实践发现，常规的Zr盐极易吸潮，而且在高温熔体中稠化的Zr盐常与MgF2等反应产物共生，降低了常规精炼剂对夹渣的润湿、捕获能力，导致熔体纯净度降低，显著恶化合金的力学性能与腐蚀性能。综上所述，当前Mg-Zr中间合金对镁合金的细化效果有限、细化衰退效应明显，其主要原因是Mg-Zr中间合金中大量尺寸较大的Zr颗粒极易在熔炼过程中沉降。因此，开发一种新型的Mg-Zr中间合金的预处理工艺以改善中间合金中Zr的存在状态、提高其细化效果就显得至关重要。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于解决常规Mg-Zr中间合金中因Zr颗粒在熔炼过程中难以溶解而沉降导致细化效果降低、细化衰退快的问题，提供一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法。通过本专利技术预处理后的Mg-Zr中间合金对镁合金细化效果更好、衰退时间更长，且工艺流程短、操作灵活方便。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，包括使用高频脉冲交流钨极氩弧(TIG)焊对Mg-Zr中间合金板材进行多道次填丝加工的步骤；能使得Zr颗粒在高频脉冲电流扰动下分散，同时在电弧高温环境下扩散溶解形成Zr溶质原子。优选地，所述的提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法包括以下具体步骤：A1、将Mg-Zr中间合金板材上下表面打磨至光滑状态，并将其紧固于带水冷装置的铜座上；A2、在铜座的水冷装置开启的状态下，利用高频脉冲交流TIG焊对Mg-Zr中间合金板材进行多道次填丝加工，让大尺寸Zr团簇在电弧高温、高频扰动下边分散边扩散溶解形成小尺寸的Zr颗粒及部分溶质Zr，其中溶质Zr在随后的激冷条件下固溶于Mg基体中；A3、最后通过所填焊丝及中间合金比重计算焊后中间合金新的名义成分，并打磨掉Mg-Zr中间合金表面焊缝氧化皮备用。现有技术主要通过大塑性变形等预处理工艺将Mg-Zr中间合金中大尺寸Zr粒破碎为小尺寸Zr粒以提高其细化效果。相比之下，本方法采用高频脉冲交流电弧对Mg-Zr中间合金进行填丝重熔，实现了颗粒Zr向溶质Zr的转变。这样就从根本上避免了Mg-Zr中间合金中大尺寸Zr粒在熔炼过程中因密度较大产生沉降的问题；同时由于溶质Zr对镁合金的细化效果比颗粒Zr更强，该预处理工艺通过提高Mg-Zr中间合金中溶质Zr的比例从而提高其细化效果。具体来说，首先由于焊接过程中高频振动的脉冲交流电弧对熔池具有强烈的振动效果，将有利于Mg-Zr中间合金中团聚的大尺寸Zr粒首先被分散、破碎。其次由于电弧产生的高温远远高于常规的镁合金熔炼温度，分散后的小尺寸Zr粒将在高温下溶解、扩散成为液相中的溶质Zr。配合纯镁焊丝填丝，可提高熔池液态金属中镁的比例，促进更多的Zr向镁熔体中发生溶解。最后，熔池中的金属熔体在带有水冷的铜模基座上快速凝固，使得液态下的溶质原子Zr固溶进入了α-Mg基体中并以固溶原子的形式保留下来。故本方法能够更好地促进Mg-Zr中间合金中的大尺寸Zr粒向溶质Zr转变，不仅提高了Mg-Zr中间合金对镁合金的细化效果，还能有效避免Mg-Zr中间合金的细化效果产生衰退效应。优选地，所述Mg-Zr中间合金板材中，所含Zr的质量分数为10％～30％，所述Mg-Zr中间合金板材为铸态或挤压态。优选地，所述填丝加工采用的填丝材料为铸态或挤压态纯镁焊丝，所述填丝材料直径为2～6mm，所述填丝的总量为待预处理Mg-Zr中间合金板材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，包括使用高频脉冲交流TIG焊对Mg-Zr中间合金板材进行多道次填丝加工的步骤。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，包括使用高频脉冲交流TIG焊对Mg-Zr中间合金板材进行多道次填丝加工的步骤。


2.根据权利要求1所述的提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
A1、将Mg-Zr中间合金板材上下表面打磨至光滑状态，并将其紧固于带水冷装置的铜座上；
A2、在铜座的水冷装置开启的状态下，利用高频脉冲交流TIG焊对Mg-Zr中间合金板材进行多道次填丝加工；
A3、再通过所填焊丝及中间合金比重计算焊后中间合金新的名义成分，并打磨掉Mg-Zr中间合金表面焊缝氧化皮备用。


3.根据权利要求1或2所述的提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，所述Mg-Zr中间合金板材中，所含Zr的质量分数为10％～30％，所述Mg-Zr中间合金板材为铸态或挤压态。


4.根据权利要求1或2所述的提高镁合金细化效果的Mg-Zr中间合金预处理方法，其特征在于，所述填丝加工采用的填丝材料为铸态或挤压态纯镁焊丝，所述填丝材料直径为2～6mm，所述填丝的总量为待预处理Mg-Zr中间合金板材质量的1％～50％。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：童鑫，吴国华，张亮，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31