本發(fā)明涉及一種高強耐蝕鎂合金，屬于金屬材料領域。
背景技術：
：腐蝕是材料在環(huán)境中受到物理、化學和電化學等作用時，引起的材料性質、形貌、力學性能改變的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，每年全世界因腐蝕報廢的金屬約1億噸，占年產(chǎn)量的20%～40%，全世界每年因腐蝕報廢的鋼鐵設備相當于年產(chǎn)量的30%。而且隨著工業(yè)化的進程，腐蝕問題日趨嚴重，美國1949年腐蝕消耗（材料消耗和腐蝕）為50億美元，1975年達700億美元，到1985年高達1680億美元。數(shù)據(jù)顯示，發(fā)達國家每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民生產(chǎn)總值的2～4%；美國每年因腐蝕要多消耗3.4%的能源；我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失至少達二百億元；全球每年因腐蝕造成的損失高達7000億美元，是地震、臺風、水災等自然災害綜合損失的6倍。相對其它金屬結構材料，鎂的化學性質比較活潑，耐腐蝕性較差，容易造成部件損耗乃至完全失效。目前，改善鎂的本征耐腐蝕性的主要手段是添加適量的合金元素。例如：在純Mg中添加9wt%的Al可以大幅提高Mg-Al合金的耐蝕性；添加少量的Ca（少于2wt%）有利于AZ91鎂合金腐蝕性能的提升；部分微量稀土元素（如La，Ce等）可以作為固溶元素或者析出相的形式在鎂基體中存在，改善AM60鎂合金的耐腐蝕能力。以上研究表明，通過合金化改善鎂合金本征耐腐蝕性是可行的。根據(jù)純鎂的Pourbaix相圖，金屬Mg能穩(wěn)定存在的區(qū)域對應的電位通常較負，而材料在實際工作中的電位要比其高的多，因此通過合適的成分設計，使得鎂合金發(fā)生腐蝕后形成有效的鈍化膜，從而阻止或阻礙進一步腐蝕的發(fā)生，成為了改善鎂合金耐蝕性能的主要手段。腐蝕產(chǎn)物能否在材料表面形成有效的鈍化膜，一方面固然與腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)、穩(wěn)定性密切相關，另一方面也與固態(tài)氧化物的密度與合金基體密度間的匹配相關。Pilling與Bedworth在早期對金屬及其氧化物的研究發(fā)現(xiàn)：當氧化物體積與原金屬的體積比（Pilling-Bedworthratio，PBR）小于1時，氧化物無法完整覆蓋金屬表面，從而無法起到鈍化保護作用；當該體積比大于2時，氧化物又因內(nèi)應力過大易于破裂而無法保護金屬表面；當該體積比介于1～2之間時，氧化物往往能夠在金屬表面形成致密的鈍化膜，從而保護金屬基體免于進一步的腐蝕。當然也有不少實驗研究發(fā)現(xiàn)：在一些體系當中，盡管PBR介于1～2之間，腐蝕產(chǎn)物還是不能有效保護金屬基體，其原因在于離子/原子在腐蝕產(chǎn)物中具有較大的擴散能力，從而遷移到腐蝕產(chǎn)物表面，使得腐蝕繼續(xù)。對于純鎂而言，其PBR為0.81，即形成的MgO并不具有保護性，因而鎂的耐蝕性能差。WanqiangXu等人通過在純鎂中添加大量的鋰元素，提高了鎂鋰合金的PBR值，使鎂鋰合金表面形成致密的氧化鋰-氧化鎂-碳酸鋰復合保護層，大幅提高了鎂鋰合金的腐蝕性能，開發(fā)了兼具高強度和耐蝕性的鎂合金。因此，應從腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性、PBR、腐蝕產(chǎn)物的擴散行為等方面著手來分析鎂合金的自我保護、耐蝕能力，深化對鎂合金腐蝕過程中鈍化層的認識，為新型耐蝕鎂合金的設計提供指導作用。另外，隨著鎂合金強度的提升，鎂合金的耐腐蝕性能通常會變差，因此在要求高強高耐蝕性能的航空航天結構件中鎂合金往往得不到應用?，F(xiàn)在開發(fā)的鎂合金基本都是稀土系的，如GW103，WE54等，然而它們的腐蝕性能往往很差。這是由于強度的提升主要依靠加入大量的稀土合金元素與鎂基體形成第二相或稀土富集區(qū)，這些地方就會成為鎂合金腐蝕的陰極。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中稀土系鎂合金耐腐蝕性差的問題而提供一種高強耐蝕鎂合金，該高強耐蝕鎂合金為Mg-Sc體系，其在提高鎂合金強度的同時可通過改善合金表面膜層結構，使得耐腐蝕性能不發(fā)生大幅下降。實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案為：一種高強耐蝕鎂合金，按質量分數(shù)計，該鎂合金的成分為：Sc5-15%，Mn0.5-1%，Zr0.5-1%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%。作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述高強耐蝕鎂合金，按質量分數(shù)計，該鎂合金的成分為：Sc6%，Mn0.6%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%。作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述高強耐蝕鎂合金，按質量分數(shù)計，該鎂合金的成分為：Sc12%，Mn0.8%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%。作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述高強耐蝕鎂合金，按質量分數(shù)計，該鎂合金的成分為：Sc15%，Mn0.5%，Zr1%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%。作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述高強耐蝕鎂合金，按質量分數(shù)計，該鎂合金的成分為：Sc5%，Mn1%，Zr0.5%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%。優(yōu)選地，本發(fā)明所述高強耐蝕鎂合金由如下方法制得：1）備料和爐子清理：根據(jù)鎂合金成分比例備料，爐子清洗干凈；其中，Sc元素以Mg-Sc中間合金加入，Mn元素以單質或則Mg-Mn中間合金形式加入，Zr元素以純Zr或則Mg-Zr中間合金加入；2）鎂錠熔化：將全部純鎂錠放進井式電阻坩堝爐，在坩堝底部和純鎂錠表面均勻撒上硫磺粉，用坩堝蓋將坩堝密閉，通入由體SF6和N2組成的保護氣體，加熱升溫，使全部純鎂錠在二氧化硫和所述保護氣體下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780℃；3）加入中間合金：待鎂熔液溫度達到710℃以上時，將烘干后的Mg-Mn中間合金、Mg-Zr中間合金加入到鎂熔液中，鎂熔液升溫至750℃，將Mg-Sc中間合金加入到鎂熔液中，保溫15分鐘，保證加入的中間合金全部熔化，制得鎂合金液；4）合金精煉：待鎂熔液溫度升至730℃以上，加入鎂合金專用精煉劑開始進行精煉；精煉過程中，精煉勺浸入鎂合金液的2/3處，激烈地由上至下攪拌鎂合金液直至液面出現(xiàn)鏡面光澤為止；在攪拌過程中，不斷地往鎂合金液面上撒精煉劑；精煉完畢，清除液面上的熔劑和浮渣，再輕輕撒上一層覆蓋劑；降溫到適宜溫度靜置直至夾雜充分上浮或下沉，最后進行扒渣，制得鎂合金；5）合金擠壓：將鎂合金以擠壓比16：1進行擠壓變形，溫度為300℃。優(yōu)選地，在步驟4）中，所述的鎂合金專用精煉劑為：稀土鎂合金專用RJ-5精煉劑。優(yōu)選地，在步驟4）中，所述的覆蓋劑為：稀土鎂合金專用RJ-5熔劑。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術優(yōu)點在于：本發(fā)明的Mg-Sc高強耐蝕鎂合金，其中Sc元素的含量控制在5-15%之間，適量的Sc元素在固溶強化的同時會形成β-Sc，起到形核質點的作用，大幅細化晶粒，會出現(xiàn)細晶強化和第二相強化的作用，所以鑄態(tài)的抗拉強度是純鎂的10倍。本發(fā)明將Mg-Sc鎂合金在300℃下，以擠壓比16：1擠壓后，其拉伸強度達到400?420MPa，抗拉強度240?260MPa，延伸率8?10%。另外，本發(fā)明加入適量的Sc元素后，能夠形成Sc2O3和Mg(OH)2的混合涂層，使得Mg-Sc鎂合金基體表面膜層更致密，保證了良好的耐腐蝕性能。而且，本發(fā)明合理配比其他合金元素的種類和比例，通過合金元素的協(xié)同作用進一步提升了鎂合金材料的耐腐蝕性能。同時，申請人發(fā)現(xiàn)：在耐腐蝕Mg-(2-5%)Sc合金基礎上，再添加適量Sc元素后，所制得的本發(fā)明Mg-(5-15%)Sc合金可以在犧牲少量合金腐蝕性能的前提上，顯著提升鎂合金的強度。附圖說明圖1為實施例4所制得的Mg-5Sc鎂合金材料在3.5%氯化鈉溶液腐蝕24小時后XPS圖譜。具體實施方式下面結合實施例對本發(fā)明做進一步描述。實施例1以25kg為例，根據(jù)Mg-6Sc-0.6Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc6%，Mn0.6%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體可由如下方法制得：1）備料和爐子清理：根據(jù)鎂合金成分比例備料，爐子清洗干凈；其中，Sc元素以Mg-Sc中間合金加入，Mn元素以單質或則Mg-Mn中間合金形式加入，Zr元素以純Zr或則Mg-Zr中間合金加入；2）鎂錠熔化：將全部純鎂錠以盡量緊密的方式放進井式電阻坩堝爐，在坩堝底部和純鎂錠表面均勻撒上硫磺粉，用坩堝蓋將坩堝密閉，通入由體SF6和N2組成的保護氣體，加熱升溫，使全部純鎂錠在二氧化硫和所述保護氣體下完全熔化，將鎂熔液溫度控制在700?780℃；3）加入中間合金：待鎂熔液溫度達到710℃以上時，將烘干后的Mg-Mn中間合金、Mg-Zr中間合金加入到鎂熔液中，鎂熔液升溫至750℃，將Mg-Sc中間合金加入到鎂熔液中，保溫15分鐘，保證加入的中間合金全部熔化，制得鎂合金液；4）合金精煉：待鎂熔液溫度升至730℃以上，加入鎂合金專用精煉劑開始進行精煉；精煉過程中，精煉勺浸入鎂合金液的2/3處，激烈地由上至下攪拌鎂合金液直至液面出現(xiàn)鏡面光澤為止；在攪拌過程中，不斷地往鎂合金液面上撒鎂合金專用精煉劑；精煉完畢，清除液面上的溶劑和浮渣，再輕輕撒上一層覆蓋劑；降溫到適宜溫度靜置直至夾雜充分上浮或下沉，最后進行扒渣。5）合金擠壓：將鎂合金以擠壓比16：1進行擠壓變形，溫度為300oC。本實施例制得的Mg-6Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度310MPa，抗拉強度400MPa，延伸率9.5%。實施例2以25kg為例，根據(jù)Mg-12Sc-0.8Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc12%，Mn0.8%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制得的Mg-12Sc-0.8Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度340MPa，抗拉強度418MPa，延伸率8.5%。實施例3以25kg為例，根據(jù)Mg-15Sc-0.5Mn-1Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc15%，Mn0.5%，Zr1%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制得的Mg-15Sc-0.5Mn-1Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度350MPa，抗拉強度420MPa，延伸率8%。實施例4以25kg為例，根據(jù)Mg-5Sc-1Mn-0.5Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc5%，Mn1%，Zr0.5%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制得的Mg-5Sc-1Mn-0.5Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度300MPa，抗拉強度400MPa，延伸率10%。對實施例4所制得的Mg-Sc高耐蝕鎂合金材料腐蝕測試，圖1為Mg-5Sc鎂合金材料在3.5%氯化鈉溶液腐蝕24小時后XPS圖譜，從圖1中可以明顯地看到在Mg-5Sc合金表面腐蝕產(chǎn)物中存在Sc和Mg元素，說明膜層中含有Sc2O3和Mg(OH)2兩種混合成分。下面結合對比例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明。對比例1以25kg為例，根據(jù)Mg-20Sc-0.6Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc20%，Mn0.6%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制得的Mg-20Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度324MPa，抗拉強度358MPa，延伸率2.3%。對比例2以25kg為例，根據(jù)Mg-25Sc-0.6Mn-0.7Zr配比為例，其按質量分數(shù)計，Sc25%，Mn0.6%，Zr0.7%，F(xiàn)e，Ni不可避免雜質含量<0.05%，計算出中間合金的質量，進行備料。具體制備方法同實施例1。本實施例制得的Mg-25Sc-0.6Mn-0.7Zr高耐蝕鎂合金材料，其屈服強度310MPa，抗拉強度326MPa，延伸率1.1%。實施例1-4、對比例1和2所制得的高強耐蝕鎂合金的力學性能測試結果見表1。表1合金成分HPMg實施例1實施例2實施例3實施例4對比例1對比例2抗拉強度/MPa200400418420400358326屈服強度/MPa110310340350300324310延伸率/%129.58.58102.31.1從表1中明顯可以看出，當稀土含量超過15%時，抗拉強度和屈服強度都有較大的下降，延伸率有明顯下降。表2為純鎂、實施例1-4和對比例1和2的Mg-Sc合金動電位極化曲線計算結果，由表2可以看到，Mg-Sc合金的腐蝕電流大小，遠小于高純鎂的腐蝕電流，僅為其8-15%。因而其腐蝕性能極佳，是一種高耐腐蝕鎂合金。Mg-Sc合金在481oC時的共晶點在Sc元素含量為30%的位置，因而當Sc元素比例大于15%時，β-Sc第二相大量析出，形成微點偶腐蝕，腐蝕性能大大下降。表2合金腐蝕電壓(VSCE)腐蝕電流(A/cm2)高純鎂-1.6694.714Mg-5Sc-1.6940.3703Mg-15Sc-1.6710.694Mg-20Sc-1.6651.267Mg-25Sc-1.6741.643綜合表1，表2的性能參數(shù)，本發(fā)明所得到的Mg-(5-15)Sc具有高強度和高腐蝕性能的雙重優(yōu)點，是一種綜合性能優(yōu)異的高強耐蝕鎂合金。當前第1頁1 2 3