本發(fā)明屬于鎂合金，具體涉及一種高強韌高耐蝕鎂合金鍛件及其制備方法。
背景技術：
1、鎂合金作為目前最輕的金屬結構材料，其密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，具有比強度高、易加工成型、良好的導熱導電性能、優(yōu)良的減震性能和電磁屏蔽性能等眾多優(yōu)點。其中具有高強韌高耐蝕的鎂合金在航空航天、國防軍工以及交通運輸等領域具有迫切的需求，對實現結構輕量化以及節(jié)能減排具有重要意義。但是鎂合金目前存在強度和耐蝕性能互斥問題。其中鎂合金耐蝕性能差的原因，一是鎂具有結構金屬中最低的標準電極電位（-2.37v/she），合金化所形成的第二相通常會作為陰極與鎂基體發(fā)生微電偶腐蝕，而鎂基體由于低的電位而作為陽極發(fā)生溶解。另一方面，鎂表面的mgo氧化膜的pbr(pilling-bedworth?ratio)僅為0.81，要小于1，無法形成致密覆蓋的氧化膜，因此在腐蝕介質中其表面膜極易被氯離子破壞。而鎂合金強度的提升通常需要通過形成大量析出相進行析出強化，而大量析出相的存在通常會加速鎂基體的微電偶腐蝕，從而導致耐蝕性能下降。例如目前傳統(tǒng)鎂合金如az91以及az80鎂合金等mg-al系合金，其耐蝕性能還可，但是其強韌性和高溫性能較差，難以滿足航工航天以及海洋船舶等領域的高強度和高耐蝕要求。而高稀土含量的vw114（mg-11gd-4y）合金雖然具有高的力學性能，但是大量稀土元素的添加，導致合金鑄造工藝差，鑄造過程易產生偏析、熱裂等缺陷。此外由于大量合金元素的添加導致大量第二相的形成嚴重惡化合金的腐蝕性能，因此很難在航空航天以及海洋工程領域應用。此外變形鎂合金通常采用擠壓和軋制的方法，不易制備大型的塊體變形鎂合金材料。大塑性變形技術在改善鎂合金強韌性方面具有獨特優(yōu)勢，其中多向鍛造技術具有工藝簡單，成本低的優(yōu)點，可以有效細化晶粒，制備大塊致密材料，在航空航天、交通運輸和海洋工程領域具有廣泛的應用前景。
2、中國專利（公開號cn114351021a）公開了一種航空航天用高性能鑄造鎂合金材料及其制備方法，該鑄造鎂合金按質量百分比記，由以下組分組成：gd:5.5～8.5wt.％，nd:2.0～2.8wt.％，zr:0.4～0.6wt.％，ag:0～1.0wt.％。該合金具有較高的力學性能，流動性強，縮松縮孔和熱裂傾向小，整體鑄造工藝性良好。但是該合金中ag元素的加入會顯著降低合金的耐腐蝕性能。這是因為ag的標準電極電位為+0.8v/she，要遠高于mg的標準電極電位（-2.37/she）,且ag在鎂中的固溶度基本為零，常以單質態(tài)存在于鎂合金中，從而會作為高電位的雜質元素顯著加速鎂基體的微電偶腐蝕。以上調研表明目前的高性能鎂合金還存在強度和耐蝕性能無法兼得的問題，這極大限制了鎂合金在航空航天以及海洋等復雜惡劣環(huán)境中的應用。
3、因此，目前亟需一種高強韌高耐蝕鎂合金大型鍛件，以滿足目前航空航天以及海洋工程領域的應用。本發(fā)明通過添加高固溶度的稀土元素使合金在室溫下獲得高的析出強化和固溶強化效果，顯著提高合金的力學性能，同時能形成致密的膜層結構，增加鎂氧化膜和腐蝕產物膜的致密性和保護性，克服第二相對腐蝕性能的消極影響。
技術實現思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種高強韌高耐蝕鎂合金鍛件及其制備方法，以滿足目前航空航天以及海洋工程領域對大型高強耐蝕鎂合金鍛件的需求。通過使用鎂釓中間合金、鎂鉺中間合金、鎂鋯中間合金等材料，添加其他元素使合金在室溫下獲得高的析出強化和固溶強化效果，顯著提高合金的力學性能，同時能形成致密膜層結構，增加鎂氧化膜和腐蝕產物膜的致密性和保護性，抑制第二相對腐蝕性能的不利影響。
2、為了實現上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：
3、本發(fā)明第一方面提供了一種高強韌高耐蝕鎂合金鍛件的制備方法，包括以下步驟：
4、步驟s1：將純鎂塊、鎂釔中間合金、鎂鑭中間合金、鎂釓中間合金、鎂鉺中間合金和鎂鋯中間合金在150~180℃條件下干燥2~4h，除去水分；
5、步驟s2：在二氧化碳和六氟化硫的保護氣體下進行熔煉，將步驟s1所述干燥后的純鎂塊、鎂釔中間合金、鎂鑭中間合金、鎂釓中間合金、鎂鉺中間合金和鎂鋯中間合金加入到坩堝中并進行熔化，得到鎂合金熔體；
6、步驟s3：在二氧化碳和六氟化硫的保護氣體下，將步驟s2所述鎂合金熔體依次進行精煉、攪拌、靜置保溫處理，凈化熔體并使雜質物質下沉到坩堝底部，得到純凈化后的鎂合金熔體；
7、步驟s4：在二氧化碳和六氟化硫的保護氣體下，將步驟s3所述純凈化后的鎂合金熔體進行半連續(xù)鑄造處理，依次進行鑄模預熱，啟動半連續(xù)鑄造機和水冷系統(tǒng)進行半連續(xù)澆鑄，制造出直徑為250~300mm的鎂合金圓棒；
8、步驟s5：將步驟s4所述鎂合金圓棒切割成每段長度為1000~1200mm的合金棒，將所述合金棒依次進行車削加工處理、退火處理、鍛造處理和時效熱處理，得到高強韌高耐蝕鎂合金鍛件；
9、其中，按質量百分含量計，所述高強韌高耐蝕鎂合金鍛件包括6~7wt%的釓，2~3wt%的釔，0.5~1wt%的鉺，0.1~0.2wt%的鑭，0.05~0.5wt%的鋯以及余量的鎂。
10、作為一種優(yōu)選的方案，所述鎂釓中間合金的制備方法包括：以重量份計，把80~90份鎂顆粒加入到坩堝內，在氬氣氛圍保護下，加熱到650~660℃保溫10~20min，然后加入10~20份釓粉，在740~745℃的條件下保溫30~35min，得到合金熔體；將所述合金熔體進行超聲處理，得到鎂釓中間合金；所述超聲處理的超聲強度為1.3~1.5kw/cm2，超聲時間為40~45min。
11、鎂釓中間合金中釓元素的加入，使得合金晶粒得到細化，使沿晶界分布的連續(xù)網絡狀共晶組織轉變?yōu)榘脒B續(xù)的網絡狀；同時通過熔配法制備鎂釓中間合金，只使用了鎂元素和釓元素，能夠有效減少鎂釓中間合金的雜質成分，減少雜質引起的腐蝕，提高材料耐腐蝕性能。
12、作為一種優(yōu)選的方案，所述鎂鉺中間合金的制備方法包括：使用石墨坩堝作為電解槽，石墨片作為陽極，純鎂塊作為陰極，80~100重量份氟化鈉作為體系電解質，30~40重量份氧化鉺作為原料，通過電解處理在陰極形成鎂鉺中間合金；所述電解處理包括以下步驟：向電解槽中加入氟化鈉，控制溫度為1090~1100℃，得到體系電解質；加入氧化鉺并通直流電，電流為4200~4400a；電解60~70min，將陰極取出，冷卻后得到鎂鉺中間合金。
13、鎂鉺中間合金中鉺元素對合金晶粒具有晶粒細化作用，同時鉺可以偏聚在晶界處，可以在一定程度上阻礙晶界的遷移和晶粒的長大，因此能夠有效提高鎂合金鍛件的屈服強度和抗拉強度。
14、作為一種優(yōu)選的方案，所述鎂鋯中間合金的制備方法包括：以重量份計，稱取200~300份鎂顆粒置于反應爐中加熱至熔化，以0.4~0.6l/min的流量通入二氧化碳，設置反應爐溫度為800~850℃，加入20~50份氯化鋯，反應1~2h；將反應得到的產物進行超聲處理，然后用氬氣進行吹氣精煉，最后澆鑄到模具中，得到鎂鋯中間合金；所述超聲處理的超聲波頻率為20~22khz，功率為5~10kw，處理時間為10~20min。
15、在鎂合金中添加鋯可以促進形成細小且分布均勻的第二相粒子，這些粒子可以起到細化晶粒的作用，促進異質形核，從而顯著提高合金的力學性能；另外鋯的添加還有助于抑制合金中的腐蝕活性點，通過減少這些點的數量和活動性，可以有效降低整個合金材料的腐蝕速率。
16、作為一種優(yōu)選的方案，所述保護氣體中二氧化碳和六氟化硫的體積比為1:(8~9)。
17、作為一種優(yōu)選的方案，步驟s2所述加入過程為：在600~610℃加入純鎂塊，升溫至690~700℃將純鎂塊熔化；然后升溫到750~760℃，加入鎂釔中間合金、鎂鑭中間合金、鎂釓中間合金、鎂鉺中間合金；然后升溫到780~785℃加入鎂鋯中間合金，保溫1~2h得到鎂合金熔體。
18、作為一種優(yōu)選的方案，步驟s3所述精煉處理為：向所述鎂合金熔體加入精煉劑，然后在溫度為750~760℃的條件下攪拌10~20min；所述精煉劑添加量為合金總質量的1.5%，所述精煉劑按重量份包括49份氯化鉀，24份氯化鈣，14份氯化鋇，6份氟化鈣和3份氯化釔；所述靜置保溫處理為：先在740~750℃下靜置30~40min，然后降溫到700~710℃靜置20~30min。
19、作為一種優(yōu)選的方案，步驟s4中所述半連續(xù)澆鑄溫度為690~700℃，鑄模預熱溫度為180~200℃。
20、作為一種優(yōu)選的方案，步驟s5中所述退火處理溫度為450~480℃，處理時間為20~24h；所述鍛造處理為：先將所述鎂合金圓棒在500~510℃的條件下保溫20~24h，將鍛造模具在350~360℃條件下預熱1~2h，然后將鎂合金圓棒放入鍛造模具中，在400~420℃條件下進行機械鍛造處理；所述時效熱處理的溫度175~225℃，時間為24~48h；
21、機械鍛造工序為：通過機械手將加熱完成的鑄棒轉移到鍛壓機墊片上，鍛壓機為3000噸，鍛頭為長方形，鍛造時為多向鍛造，通過機械手調整鍛造方向，x，y，z三個方向按照順序進行依次鍛造，持續(xù)進行9~12個道次，鍛造期間溫度為400~450℃。
22、本發(fā)明第二方面提供了一種如第一方面所述的制備方法制備得到的高強韌高耐蝕鎂合金鍛件。
23、與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：
24、1、本發(fā)明添加具有高固溶度的釓，釔，鉺元素，其在鎂中具有高的固溶度，故可以通過時效處理形成大量析出相進行析出強化，從而顯著提高合金的力學性能；釓，釔，鉺，鑭元素的氧化物的pbr(pilling-bedworth?ratio)比都大于1，可以顯著增強mgo氧化膜的致密性；釓，釔，鉺以及鑭具有與鎂接近的標準電極電位，并不會顯著增強鎂基體的微電偶腐蝕；鋯元素的添加可以顯著細化鎂合金的晶粒，促進異質形核，從而顯著提高合金的力學性能；此外鋯的加入可以與鐵元素等雜質進行反應，從而顯著雜質元素對鎂合金耐蝕性能的影響。
25、2、本發(fā)明通過多向鍛造技術，通過持續(xù)的改變鍛造方向，對材料不斷的進行拉伸和壓縮變形，與單向鍛造相比，可有效改善鍛造過程中芯部和邊緣組織不均勻問題。同時，可以顯著影響材料變形過程中的流變應力，改善顯微組織以及力學性能的各向異性。鍛造過程中可以顯著破損粗大的網狀第二相組織，并顯著細化晶粒并使第二相分布更加均勻彌散，從而顯著提高合金的力學性能和耐蝕性能；另外本發(fā)明的合金通過常規(guī)鑄造加鍛造成型，具有低成本可大規(guī)模應用的潛力，合金強度和耐蝕性能要高于目前傳統(tǒng)鍛造鎂合金，適用于航空航天以及海洋船舶等嚴苛環(huán)境，適合制備各種殼體材料。
26、3、本發(fā)明通過使用鎂釓中間合金、鎂鉺中間合金、鎂鋯中間合金等材料，所制備鎂釓中間合金具有低的雜質成分，可顯著提高材料耐腐蝕性能；鎂鉺中間合金中鉺元素對合金晶粒具有晶粒細化作用，能夠有效提高鎂合金鍛件的屈服強度和抗拉強度；鎂鋯中間合金中鋯可以促進形成細小且分布均勻的第二相粒子顯著提高合金的力學性能，并抑制合金中的腐蝕活性點，降低合金材料的腐蝕速率。