一种提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺

摘要

本发明涉及镁合金性能优化领域，具体为一种提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，特别是涉及一种能够显著提高镁合金的耐腐蚀性能，同时还使合金保留着较高的屈服强度和抗拉强度的热处理工艺。将变形态镁合金用铝箔包裹严密，进行两级固溶处理，在300～330℃保温2～4小时，随炉升温至400～450℃，在此温度下再保温2～4小时，然后水淬冷却至室温。本发明能够显著提高镁合金的耐腐蚀性能，解决了镁合金抗腐蚀能力差的问题，同时还使合金保留着较高的屈服强度和抗拉强度，拓宽了镁合金的实际工程应用。本发明所用的设备简单，成本较低，操作简单、方便。

说明书

技术领域

本发明涉及镁合金性能优化领域，具体为一种提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐 蚀性的热处理工艺，特别是涉及一种能够显著提高镁合金的耐腐蚀性能，同时还 使合金保留着较高的屈服强度和抗拉强度的热处理工艺。

背景技术

镁合金作为一种新型的金属材料，具有密度低、比强度和比刚度高等优点， 这使得镁合金在航空航天和汽车等高新技术领域有着潜在的广泛应用前景。与其 它镁合金相比，由于Mg-Zn-Y-Zr变形镁合金在室温和高温下具有较高的屈服和 抗拉强度，所以关于其力学性能的研究报道有很多。研究结果表明，Mg-Zn-Y-Zr 镁合金主要是通过准晶相I-Mg₃Zn₆Y的形成来提高其力学性能的。因此，可以预 测，通过增加合金中准晶相的体积百分含量可以使Mg-Zn-Y-Zr镁合金的力学性 能得到显著的提高。迄今为止，关于准晶相体积百分含量对合金力学性能影响的 文献报道只有一篇。文献(Mater.Sci.Eng.A(材料科学与工程)449-451(2007)987) 报道了在Zn/Y比为5的前提下，通过增加合金元素锌(Zn)和稀土元素钇(Y)，使 Mg-Zn-Y-Zr合金中准晶相的体积百分含量增加，从而使合金的强度得到显著的提 高。然而，早期的研究工作过于侧重于合金的强度问题，关于微观组织如何对合 金耐腐蚀性能的影响及其相关提高方法方面的研究，还未曾涉及，致使准晶强化 的Mg-Zn-Y-Zr镁合金的工程应用缺乏安全保障和技术支撑。因此，为了解决制 约镁合金工程应用的瓶颈(耐蚀性和强度)，开发出合理的热处理制度来提高合金 的抗腐蚀性能，同时还需保障其具有较高的力学性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺， 通过合理制定两级固溶制度，将合金中存在的不均匀组织消除，同时在α-Mg基 体中析出纳米尺度准晶相颗粒，使镁合金的耐腐蚀性能得到显著提高，同时还使 合金保留着较高的屈服强度和抗拉强度。

本发明的技术方案是：

一种提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，将变形态Mg-Zn-Y-Zr 镁合金进行两级固溶处理，在300～330℃保温2～4小时，随炉升温至400～450 ℃，在此温度下再保温2～4小时，然后水淬冷却至室温。

所述的提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，Mg-Zn-Y-Zr镁合金 在固溶处理过程中，用铝箔严密包裹。

所述的提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，按重量百分含量计， Mg-Zn-Y-Zr镁合金中，锌含量为6～8％；钇含量为1.0～1.6％；锆含量为0.5～ 1.0％；镁余量。

所述的提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，Mg-Zn-Y-Zr镁合金 中，锌和钇的重量比值为5～10。

所述的提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，经热处理后的 Mg-Zn-Y-Zr镁合金，其耐腐蚀性能能够显著得到提高，同时还使合金保留着较高 的屈服强度和抗拉强度。

所述的提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺，在室温条件下0.1M NaCl溶液中的腐蚀电位E_corr＝-1.65～-1.60V_SCE，腐蚀电流密度为i_corr＝2～16 μA/cm²，失重速率为0.2～0.8 mg/cm²/day，屈服强度为180～200MPa，抗拉强度 为260～280MPa，延伸率为10～25％。

本发明的设计思想是：

本发明通过合理选取两级固溶处理，先在300～330℃保温2～4小时，这样 的作用在于：将不均匀分布的低熔点MgZn相固溶，对组织和性能的影响在于： 消除局部腐蚀的发生，改善合金的抗腐蚀性能。随炉升温至400～450℃，在此温 度下再保温2～4小时，然后水淬冷却至室温，这样的作用在于：析出纳米级准晶 相颗粒，对组织和性能的影响在于：纳米准晶强化致使合金的力学性能不会因晶 粒粗化而降低。本发明将两个阶段固溶处理有机地结合，能够显著提高镁合金的 耐腐蚀性能，解决了镁合金抗腐蚀能力差的问题，同时还使合金保留着较高的屈 服强度和抗拉强度，拓宽了镁合金的实际工程应用。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过控制热处理条件消除了变形态Mg-Zn-Y-Zr合金中存在的组织 不均匀性，并能在基体中析出纳米尺度准晶相颗粒。

2、本发明采用该方法使合金的抗腐蚀性能得到显著提高，并能保留着较高的 屈服和抗拉强度,特别适合于轻质、高强、高韧的用材需求。

3、本发明所用的设备简单，成本较低，加工工艺操作简单、方便。

附图说明

图1准晶强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例2和实施例3)的X- 射线衍射图谱。

图2准晶强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例2和实施例3)的微观 组织。其中，(a)图为热处理前；(b)图为热处理后。

图3准晶强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例2和实施例3)的纳米 准晶析出颗粒的透射电镜观察。其中，(a)图为TEM照片；(b)、(c)、(d)图 为电子衍射谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，需要说明的是给出的实施例是 用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围并不限于以下实施 的具体实施例。

实施例1

本实施例提高Mg-Zn-Y-Zr镁合金耐腐蚀性的热处理工艺方法，主要包括以 下步骤：

Ⅰ)、采用的镁合金成分：使用锻造态准晶强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金，其化学 成分(质量百分含量)为：6％Zn，1.2％Y，0.8％Zr，其余为Mg；

Ⅱ)、固溶处理工艺：将锻造态准晶强化镁合金板材用铝箔严密包裹，在330 ℃固溶2小时，随炉升温至400℃，再保温4小时，水淬冷却至室温。

Ⅲ)、微观组织表征

组织观察的样品其制备过程如下：采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面；然 后采用油基金刚石研磨膏机械抛光；X-射线衍射分析表明合金中主要相为α-Mg、 Mg₃Zn₆Y(准晶相I-phase)、MgZn₂和少量的Mg₃Zn₃Y₂(W-phase相)，相应X- 射线图谱列在附图1上。热处理前后的微观组织见图2，其中的不均匀化组织 (inhomogeneous region)可以有效的得到减轻或消除。基体中的纳米尺度准晶相 析出颗粒的TEM照片及相应的电子衍射谱见图3，其中：纳米尺度相为准晶析出 颗粒，纳米尺度准晶相的粒度范围为30～150nm，由图3可以看出：在400～450 ℃的高温条件下，纳米级准晶颗粒是可以时效析出的。

Ⅳ)、腐蚀和拉伸性能测试

采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平20mm(长)×20mm(宽)×5mm(厚)试 样的各表面；然后在室温条件下将试样放入0.1M NaCl溶液中进行浸泡实验。实 验结束后，用软毛刷将试样表面的腐蚀产物去除，称其损失的重量，算出重量损 失速率(失重速率)。利用树脂将样品密封，只对露出10mm×10mm的样品截面 开展动电位极化曲线的测量，确定出合金相应的电化学腐蚀参数见表1，其重量 损失速率为0.34mg/cm²/day，腐蚀电位E_corr＝-1.60V_SCE，腐蚀电流i_corr＝15μA/cm²。

合金的室温拉伸性能样品为板状，其轴线方向平行于材料的纵向，试样标准 长度为25mm，宽度为5mm，厚度为4mm。拉伸试验的应变速率为1×10^-3s^-1， 拉伸试验在MTS(858.01M)拉扭试验机上进行，确定出合金相应的拉伸性能见 表1，其屈服和抗拉强度分别为183MPa和262MPa，延伸率为22％。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

Ⅰ)、采用的镁合金成分

参考实施例1的成分配比。

Ⅱ)、固溶处理工艺

将锻造态准晶强化镁合金板材用铝箔严密包裹，在320℃固溶2小时，再将 温度升至400℃，保温4小时，水淬冷却至室温。

Ⅲ)、微观组织表征

参考实施例1的微观组织表征。

Ⅳ)、室温拉伸性能测试

参考实施例1的力学性能测试方法。本实施例中，合金的腐蚀和拉伸性能见 表1，其重量损失速率为0.50mg/cm²/day，腐蚀电位E_corr＝-1.63V_SCE，腐蚀电流i_corr＝10.5μA/cm²。其屈服和抗拉强度分别为195MPa和272MPa，延伸率为15％。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

Ⅰ)、采用的镁合金成分

参考实施例1的成分配比。

Ⅱ)、固溶处理工艺

将锻造态准晶强化镁合金板材用铝箔严密包裹，在300℃固溶2小时，再将 温度升至400℃，保温4小时，水淬冷却至室温。

Ⅲ)、微观组织表征

参考实施例1的微观组织表征。

Ⅳ)、室温拉伸性能测试

参考实施例1的力学性能测试方法。本实施例中，合金的腐蚀和拉伸性能见 表1，其重量损失速率为0.62mg/cm²/day，腐蚀电位E_corr＝-1.62V_SCE，腐蚀电流i_corr＝13.5μA/cm²。其屈服和抗拉强度分别为198MPa和276MPa，延伸率为13％。

本发明中，准晶强化Mg-Zn-Y-Zr镁合金(实施例1、实施例2和实施例3) 的腐蚀和力学性能数据，见表1。

表1

实施例结果表明，本发明通过合理制定两级固溶制度，将合金中存在的不均 匀组织消除，并在α-Mg基体中析出纳米尺度准晶相颗粒，使镁合金的耐腐蚀性 能得到显著提高，同时还使合金保留着较高的屈服强度和抗拉强度。