[發明專利]一種可變形低膨脹鎂合金

有效

• 申請號: 201810959138.2
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109182855B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 鄒宏輝;溫軍國;史學棟;陳東旭;陳松;馬志新;任思遠
• 申請（專利權）人: 廈門火炬特種金屬材料有限公司;北京有研特材科技有限公司
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C1/04;C22F1/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明公開了一種可變形低膨脹Mg?Zr合金，該合金不僅具有低的線膨脹系數，同時具有良好的塑性加工性能。通過粉末冶金途徑并結合高溫退火工藝，可合成組織致密、成分均勻的低膨脹、可變形加工的Mg?Zr合金。該鎂合金基體中Zr的含量高達35～45wt％，在0～300℃溫度范圍內升/降溫時，該合金的線膨脹系數為12.6～14.8×10^?6/℃。同時，該合金材料的室溫力學性能良好，抗拉強度為224.1～248.5MPa，伸長率為13.0～15.6％。

技術領域

本發明屬于功能材料技術領域，具體涉及一種低膨脹、可變形Mg-Zr合金。

背景技術

在深空探測領域，材料須承受-200～200℃范圍的交變溫差及持續的空間輻照考驗。鎂合金材料為當前最輕的金屬結構工程材料(比重為1.74g/cm³左右)，然而高的膨脹系數(2.7×10^-5/℃)導致鎂合金太空零部件較差的穩定性，限制了其在國防軍工及航天航空領域中的推廣與應用。Si顆粒膨脹系數低，且比重小，因而通常作為傳統低脹復合材料常用的增強相，如一些低膨脹鋁合金中Si 元素含量超過50wt％，且多采用粉末冶金成形。高Si含量一方面保證材料的線膨脹系數顯著降低，另一方面也導致了極為嚴重的負面效應：1)硅為剛性相，幾乎不參與材料內部變形過程，變形過程中在Mg/Si界面會產生急劇的應力集中；2)Si與鋁、鎂或發生共晶反應，或在Mg、Si界面形成脆性Mg₂Si相；因而， Si元素大量加入不可避免地導致鎂合金強烈的脆性，致使該類合金塑性極低，幾乎沒有塑性成形的可能性。

金屬鋯與鎂同為密排六方晶體結構，兩者具有良好的熱力學相容性。金屬鋯熔點高，線膨脹系數為4.4～6.72×10^-6/℃。純鎂的屈服強度為90～105MPa，抗拉強度為160～195MPa，伸長率在3～15％之間；鋯力學性能優良，其伸長率可達18％，屈服強度在138MPa左右，抗拉強度接近300MPa。在鎂合金化實踐中，Zr通常作為一種晶粒細化劑添加到鎂合金熔體中，以改善鎂基體的塑性，但其含量一般難以超過0.8wt％，主要因為鎂與鋯熔點與比重相差懸殊所致。以氟鋯酸鉀形式加 Zr，在鎂中含量也不超過30wt％，且其Zr元素在鎂中分布均勻性差，通常只能作為Mg-Zr中間合金用于鎂合金的熔煉與合金化。

眾所周知，一種合金元素大量添加到被合金化元素中時，通常導致金屬明顯的脆性。主要因為大量共晶相或脆性的金屬間化合物相的生成。本發明選擇Mg、 Zr進行低脹合金化，來替代傳統Mg-Si系低膨脹合金，并采用粉末冶金途徑來合成含鋯35～45wt.％的Mg-Zr合金，該合金具有以下實質性特征：1)鎂基體與增強相界面結合狀態與界面力學性能得到大幅改善，無共晶相的形成，取而代之的是Zr濃度梯度層出現；2)在塑性變形過程中Mg相與Zr相均參與變形，且具有變形的協調性與一致性。

發明內容

本發明針對現有鎂合金材料線膨脹系數過高提出一種低膨脹鎂鋯合金，與傳統Mg-Si系低膨脹合金相比，該合金具有延展性好，可進行塑性加工成形等優點。本發明的具體技術方案如下。

一種可變形低膨脹Mg-Zr合金，其中合金的化學成分為：鋯35～45wt％，其余為Mg。

上述可變形低膨脹Mg-Zr合金的加工方法，包括以下步驟：：

1)在氬氣保護下，將35～45wt.％的鋯粉與一定比例的鎂粉充分混合；

2)待兩者充分混合后，使其在外加壓力下燒結成形，外部壓力控制在 85～100MPa范圍內，燒結溫度控制在600～620℃范圍內，保溫30～40min；

3)在氬氣保護下對Mg-Zr合金進行熱處理，熱處理溫度為500～520℃，保溫時間為2～4h。

本發明的有益技術效果為：1)鎂合金線膨脹系數大幅降低的同時塑性成形性能得到顯著改善，使低脹鎂合金塑性加工成為可能；2)合金的強度與耐蝕性也隨之明顯提高。