一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法，按重量百分比或体积百分比计包括以下含量的原料：钆30~35 wt.%，纳米TiCN颗粒1.5~2.5 vol.%，余量为镁，其中，所述原料镁、钆均来自商用Mg

【技术实现步骤摘要】
一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，具体涉及一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法，用于制备高性能含钆稀土镁合金。

技术介绍

[0002]稀土镁合金具有高比强度、优良的室温强度与高温强度和抗蠕变性能，在交通运输、电子信息、航空航天、国防军工等领域有着广阔的应用前景。大多数稀土元素与镁均为密排六方结构，且晶格常数相近，可产生固溶强化；钆、钕等重稀土元素在镁中的溶解极限随温度变化明显，故可通过热处理等方式产生时效析出强化。然而，由于大量合金元素的加入，稀土镁合金的铸态组织较为复杂，存在着稀土相和初生镁相过于粗大、形状分布不均匀等问题。因此，有效改善合金中组织形貌和相分布，获得细小均匀的稀土相和初生镁相组织，是提高稀土镁合金综合力学性能的关键。
[0003]目前，在工业生产领域，中间合金混熔是制备稀土镁合金成熟且应用广泛的方法，多采用镁稀土中间合金加入到镁熔体中进行制备。一方面，镁的化学性质活泼，在熔炼过程中极易在空气中燃烧，加入稀土元素后可在熔体的表面形成致密的多元复合氧化物膜，阻碍熔体与空气的进一步反应；同时稀土元素与熔体杂质元素等较大的亲和力，能大量吸附溶解的气体并形成稳定的难熔化合物，达到净化熔体的效果，而且稀土原子在熔体中极易填补合金相的表面缺陷，降低界面处的表面张力，提高熔体的流动性。另一方面，稀土与镁之间的密度及熔点差异较大，直接在镁熔体中加入稀土金属会导致明显的成分偏析，不利于后续合金的铸造，而直接向熔融稀土中加入纯镁，则引起镁的大量蒸发，同时产生大量的稀土元素氧化等现象，使得这一方法并不具备可行性。采用中间合金混熔的方法，很好地解决了合金组分烧损、熔体流动性不足等问题，而且相比于熔盐电解法和热还原法，中间合金混熔可以净化合金熔体，从而改善组织和细化晶粒等作用。
[0004]但是由于铸造工艺和组织遗传性等因素的影响，中间合金会影响最终稀土镁合金的组织性能。如合金组织细小、共晶组织弥散分布的Mg
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4Sr中间合金比组织粗大、共晶组织分布不均匀的Mg
‑
4Sr中间合金在AZ91D镁合金中具有较好的变质效果。因此，改善中间合金的组织，是细化镁稀土合金的有效方法，对优化镁稀土合金组织性能，推动其在工业领域的应用具有重要意义。
[0005]研究表明，TiCN纳米颗粒能够有效细化AZ91D合金中的α
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Mg晶粒，并且诱导生长控制并阻碍共晶相的生长，达到复合变质的效果（Dake Wang et al. Materials Science and Engineering A 532 (2012) 396
–ꢀ
400），其对组织性能的改善明显优于Al
‑
5Ti
‑
1B商用晶粒细化剂。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种纳米颗粒细化镁钆中间合金及其制备方法，该方法制备的镁钆中间合金中的稀土相呈细小均匀分布，合金组织得到
优化；该中间合金含有大量纳米颗粒，可用于同时细化初生镁晶粒和富稀土相。上述新型纳米颗粒细化镁钆中间合金还可用于制备组织性能优化的镁稀土合金。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种纳米颗粒细化镁钆中间合金，按重量百分比或体积百分比计，包括以下含量的原料：钆30~35 wt.%，纳米TiCN颗粒 1.5~2.5 vol.%，余量为镁（按重量百分比计）；其中，所述原料镁、钆均来自商用Mg
‑
Gd中间合金。
[0008]优选地，所述纳米TiCN颗粒为TiCN陶瓷颗粒，粒径大小为35~65nm，平均尺寸约为50nm。
[0009]第二方面，本专利技术还提供了一种纳米颗粒细化镁钆中间合金的制备方法，包括以下步骤：S1、按照配比称取原料，并将纳米TiCN颗粒用铝箔包覆；S2、将Mg
‑
Gd中间合金在保护气氛下加热，完全熔化后搅拌均匀并保温，得合金熔体Ⅰ；S3、将合金熔体Ⅰ升温，将用铝箔包覆好的纳米TiCN颗粒加入到合金熔体Ⅰ中，并将其压入到合金熔体Ⅰ的下部，待铝箔熔化后得到合金熔体Ⅱ；S4、将超声波发生器的探头浸入到合金熔体Ⅱ的液面以下，启动超声波发生器，进行超声震动处理，搅拌、静置后得合金熔体Ⅲ；S5、将合金熔体Ⅲ降温，静置保温，浇注成形，即得纳米颗粒细化镁钆中间合金。
[0010]优选地，步骤S1中，所述原料包括Mg
‑
Gd中间合金、TiCN陶瓷颗粒，TiCN陶瓷颗粒的粒径大小为50nm。
[0011]优选地，步骤S2中，保护气氛为CO2/SF6混合气体，体积比为1：2。
[0012]优选地，步骤S2中，加热的温度为600
‑
620 ℃，保温时间为20~25 min。
[0013]优选地，步骤S3中，升温的温度为660~665℃。
[0014]优选地，步骤S4中，探头浸入到合金熔体Ⅱ的液面以下10
‑
20mm。超声震动处理的时间为5
‑
30min。纳米TiCN颗粒经超声震动处理后可均匀分散于所得合金熔体Ⅲ内。
[0015]优选地，步骤S5中，降温的温度为620
‑
640℃，保温的时间为10
‑
20min。
[0016]第三方面，本专利技术还提供一种所述纳米颗粒细化镁钆中间合金在制备镁稀土合金中的用途。镁稀土合金中钆含量为6~10wt.%。
[0017]本专利技术使用的稀土钆，可以细化镁合金的晶粒，大大提高合金强度，同时对合金耐高温性，耐腐蚀性和抗蠕变性镁合金腐蚀性能有一定的影响，是镁合金中常用的稀土元素。商用镁钆中间合金中Mg
‑
30Gd的稀土钆含量较高，可用于制备高稀土含量的镁合金，但是Gd和Mg的原子差异很大，容易出现明显的元素偏聚和稀土相长大的问题。本专利技术采用这一合金成分，添加TiCN纳米颗粒细化初生α
‑
Mg相的同时，重点关注纳米颗粒改变固液界面能、阻碍物质扩散，抑制富稀土相生长的过程，改善了目前商用Mg
‑
30Gd中间合金普遍存在的元素偏聚和组织粗大、不均匀的问题。
[0018]本专利技术中组织细化的原理在于：新型纳米颗粒细化镁钆中间合金内分布有大量的纳米TiCN颗粒，以此为原料制备稀土镁合金时，在高温下发生溶解，大量的纳米TiCN颗粒在合金熔体中分散。由于初生镁相和纳米TiCN颗粒之间存在[2110]Mg//[011]TiCN，(0002)Mg//(111)TiCN的位向关系，晶格
错配度约为5.4%，故纳米TiCN颗粒可作为共晶组织生成的异质形核基底，因此当纳米TiCN颗粒分散在合金熔体中，提供大量的共晶组织形核核心，达到细化共晶组织的目的。从能量角度考虑，两相结合时总倾向于保持界面能最低，这导致了存在某些易于产生特定的位向。在非均质形核过程中，衬底晶面与结晶相之间必然会出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒细化镁钆中间合金，其特征在于，按重量百分比或体积百分比计，包括以下含量的原料：钆30~35 wt.%，纳米TiCN颗粒 1.5~2.5 vol.%；按重量百分比余量为镁。2.根据权利要求1所述纳米颗粒细化镁钆中间合金，其特征在于，所述纳米TiCN颗粒为纳米TiCN陶瓷颗粒。3.根据权利要求2所述纳米颗粒细化镁钆中间合金，其特征在于，所述纳米TiCN陶瓷颗粒的粒径大小为35~65nm。4.一种如权利要求1所述的纳米颗粒细化镁钆中间合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照配比称取原料Mg
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Gd中间合金、纳米TiCN颗粒，并将纳米TiCN颗粒用铝箔包覆；S2、将Mg
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Gd中间合金在保护气氛下加热，完全熔化后搅拌均匀并保温，得合金熔体Ⅰ；S3、将合金熔体Ⅰ升温，将用铝箔包覆好的纳米TiCN颗粒加入到合金熔体Ⅰ中，并将其压入到合金熔体Ⅰ的下部，待铝箔熔化后得到合金熔体Ⅱ；S4、将超声波发生器的探头浸入到合金熔体Ⅱ的液面以下，启动超...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奎，
申请(专利权)人：上海交通大学内蒙古研究院，
类型：发明
国别省市：