本发明属于金属材料领域，具体涉及一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法。
背景技术：
1、高熵合金因其卓越的性能激发了学术界对其他合金体系研究的热情。然而，并非所有合金体系都适合采用高熵合金的多元溶质元素近等摩尔配比原则。以轻质合金中的镁合金为例，尽管许多研究显示，在镁合金中应用高熵合金多元溶质元素近等摩尔配比原则可以显著提高硬度和耐磨性，但这些镁基高熵合金往往在强度性能上并不突出，例如，公开号为cn109082582a的中国专利公开了一种高强韧性高硬度的镁基高熵合金及制备方法，所述镁基高熵合金由mg、al、gd、y、zn五种元素组成，各组分原子百分比(at.％)为：mg:30～35％、al:20～25％、gd:15～20％、y:10～15％、zn:10～15％。该镁基高熵合金显微硬度为hv103.3～hv123.7，室温抗压强度为458～496mpa，断后压缩率为14.8～17.3％。该发明制备过程中使用了较高含量的稀土gd和y元素，制备成本高昂；合金化程度较高，难以进行变形处理，合金制备需要使用真空熔炼炉，大规模工业化生产推广较为困难。公开号为cn115261701a的中国专利公开了镁基高熵合金及其制备方法，所述镁基高熵合金由mg、al、li、zn和ti五种元素组成，各组分原子百分比为：mg:48～56％、al:20～22％、li:8～11％、ti:2～5％、zn:11～15％；制备方法包括挤压步骤：将合金铸锭加热至300～350℃，采用挤压比为10～60的挤压模具进行挤压，得到镁基高熵合金。该专利中挤压态合金的抗压强度最高仅为446mpa，且该性能为通过大挤压比变形后获得，性能并不突出，使用真空感应炉熔炼过程中需要使用氩气，且该专利中的li元素含量较高，制备成本较高。高含量的溶质元素添加，削弱了镁合金轻量化的优势，且镁合金滑移系较少，导致其在高溶质含量下的变形能力受限，工业化大规模生产受限。因此，应当降低多元溶质元素添加量，但仍保留溶质元素近等摩尔配比原则，可方便根据性能测试结果，针对性地调整某种溶质元素的添加量，以适应多样化服役环境的性能需求。这一合金设计理念相较于传统的合金设计方法(在确定主元素后逐步添加辅助元素以优化性能)而言，有望降低试错成本，并减少大规模实验的需求，快速获得理想的合金成分。
2、此外，溶质元素的选择和添加比例对于合金性能而言至关重要。
3、选取的溶质元素(ce、nd、sm、er、la、mn、sr和ca等)，若易发生晶界共偏析现象，且因其添加后形成析出相，耦合塑性变形后可向组织中引入对强度和塑性具有协同优化作用的异质结构，将显著提升合金的综合性能。通过调整溶质元素的添加比例，可以优化晶界共偏析的程度以及异质结构在组织中的比例，进而调控合金的性能。这种调整能够确保合金在不同应用环境下达到最优的性能表现，全面提升合金的整体性能。这种策略不仅为合金设计提供了一种新的优化途径，也为实现合金性能的定制化提供了可能。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法，该近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金制备工艺简单，在与性能相当的合金对比中，此合金展现出更低的制备成本，更具经济效益。
2、本发明的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其化学组成为mg100-x(abcde)x，x为原子百分比含量，x＝0.15at.％～1.15at.％。其中，a、b、c、d和e为溶质元素，溶质元素a和b为ce、la、nd、sm、gd、y和er元素中的任意两种，溶质元素c和d为zn、sn、ca和sr中的任意两种，溶质元素e为mn、zr和sc中的任意一种，余量为镁及不可避免的杂质。
3、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为gdyznsnmn，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.75-(gdyznsnmn)0.25、mg99.5-(gdyznsnmn)0.5和mg99.0-(gdyznsnmn)1.0。所述镁合金的抗拉强度为348～363mpa、屈服强度为337～356mpa、伸长率为5.2～9.3％。
4、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为gdyznsnzr，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.75-(gdyznsnzr)0.25、mg99.5-(gdyznsnzr)0.5和mg99.25-(gdyznsnzr)0.75。所述镁合金的抗拉强度为390～405mpa、屈服强度为380～395mpa、伸长率为4.8～10.5％。
5、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为ceyzncazr，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.75-(ceyzncazr)0.25、mg99.5-(ceyzncazr)0.5和mg99.25-(ceyzncazr)0.75。所述镁合金的抗拉强度为358～370mpa、屈服强度为351～360mpa、伸长率为7.8～10.3％。
6、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为ndyzncazr，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.75-(ndyzncazr)0.25、mg99.5-(ndyzncazr)0.5和mg99.25-(ndyzncazr)0.75。所述镁合金的抗拉强度为360～384mpa、屈服强度为345～364mpa、伸长率为15.8～17.7％。
7、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为smyzncazr，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.8-(smyzncazr)0.2、mg99.6-(smyzncazr)0.4和mg99.4-(smyzncazr)0.6。所述镁合金的抗拉强度为315～340mpa、屈服强度为290～318mpa、伸长率为11.9～24.7％。
8、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为laerznsrsc，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.85-(laerznsrsc)0.15、mg99.7-(laerznsrsc)0.3和mg99.4-(laerznsrsc)0.6。所述镁合金的抗拉强度为343～355mpa、屈服强度为323～340mpa、伸长率为17.9～22.8％。
9、在本发明的一个或多个实施例中，优选的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，溶质元素组成为ceyzncamn，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.7-(ceyzncamn)0.3、mg99.4-(ceyzncamn)0.6和mg99.15-(ceyzncamn)0.85和mg98.85-(ceyzncamn)1.15。所述镁合金的抗拉强度为300～398mpa、屈服强度为290～394mpa、伸长率为4.8～15.5％。
10、本发明中a、b元素中具有高亲和力的稀土元素添加到镁合金中，可与杂质元素结合，有效净化熔体质量，提高熔体的纯净度。同时，稀土元素与c、d元素反应，形成具有高温稳定性的第二相粒子，能够在高温下保持稳定，从而在合金中起到强化作用。稀土元素还能与zn、ca等非稀土元素在晶界处共偏析，形成晶界处的元素富集区域。这种共偏析不仅增强了晶界的结合力，还通过晶界钉扎作用阻碍了位错运动，产生更大的强化效应。e中元素，可在镁合金中发挥细化晶粒的作用，通过固溶强化和异质形核机制，这些元素能够促进晶粒的细化，从而提高合金的屈服强度和抗拉强度。通过近等摩尔溶质元素合金化方式，调控溶质元素的添加量不仅能够控制上述强化效应的程度，还可以调整组织的变化来达到控制合金性能的效果。
11、本发明中溶质元素含量设定为x＝0.15at.％～1.15at.％，随着合金元素含量的增加，材料的成本也会相应提高。高含量合金化可能需要更复杂的生产工艺，进一步推高成本。合金化程度过高，容易引入更多的金属间化合物。这些金属间化合物可能会在晶界处形成脆性相，降低材料的塑性和韧性，影响材料的整体性能。合金化元素的过量添加可能会导致材料的强度和塑性之间的平衡被打破。虽然可能在一定程度上提高了材料的强度，但过度的合金化会损害塑性，降低材料的延展性和韧性。
12、本发明的任一种优选的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的制备方法，包括：
13、原料准备：根据相应溶质元素组，按比例选取mg锭、zn锭、sn锭、mg-30zr中间合金、mg-25y中间合金、mg-25gd中间合金、mg-30sm中间合金、mg-20la中间合金、mg-40ce中间合金、mg-23nd中间合金、mg-15er中间合金、mg-25ca中间合金、mg-10sc中间合金、mg-38sr中间合金和无水氯化锰颗粒作为原料；
14、熔炼铸造：将原料加入电阻炉并在680℃-750℃的温度下熔化混合；在720℃-750℃下，将熔化混合的镁合金熔体采用电磁半连续铸造法铸造为镁合金铸锭；
15、挤压预处理：对镁合金铸锭进行固溶处理；
16、保温挤压：将经过固溶处理的镁合金铸锭在挤压温度下保温1h后，进行挤压得到镁合金棒材。
17、所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法，在熔炼过程中，所述原料表面覆盖有熔剂；和/或，所述熔剂选自2号镁合金熔剂、5号镁合金熔剂和6号镁合金熔剂(rj-2、rj-5和rj-6)中的一种或多种；
18、所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法，所述电磁半连续铸造法的电流介于100a-130a之间，频率介于15hz-30hz之间；
19、所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法，所述固溶处理为：将所述镁合金铸锭在450℃-520℃下保温12h-16h后进行水淬冷却；
20、所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金及其制备方法，所述镁合金棒材的挤压温度介于270℃-350℃之间；和/或，所述镁合金棒材的挤压比介于17-25之间，和/或，所述镁合金棒材的挤压速度介于0.2mm/s-2mm/s之间。
21、本发明的有益效果在于：
22、(1)本发明中所选取的合金化元素，包括低固溶度的ca、sr、la、ce、sm和nd等，能够形成耐高温的第二相。这些第二相在合金变形过程中发挥晶界钉扎和异质形核点的作用，有效促进动态再结晶，细化晶粒，从而显著提高合金的屈服强度和加工硬化能力，同时弱化织构，增强合金的成形性。此外，选取的溶质元素如ce、nd、sm、er、la、mn、sr和ca，具有易发生晶界共偏析的特性，合金化后形成的第二相，有利于在塑性变形后形成对强度和塑性具有协同优化作用的异质结构。特别地，本发明中挤压态合金组织中zr元素的偏聚，进一步提升了合金的综合性能，实现了性能和成形性的双重优化。
23、(2)通过调整溶质元素的添加比例，可以优化晶界共偏析的程度以及异质结构在组织中的比例，进而调控合金的性能。与现有技术相比，根据本发明实施方式的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金制备方法简单，其具有更好的力学性能。这种策略不仅为合金设计提供了一种新的优化途径，也为实现合金性能的定制化提供了可能。
24、(3)采用本发明方法制备的镁合金的抗拉强度为300～405mpa，屈服强度为290～395mpa，伸长率为4.8～24.7％。与其他性能相近的稀土镁合金相比，制备成本更为低廉，是一种值得工业推广的合金及制备方法。
1.一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，其化学组成为mg100-x(abcde)x，x为原子百分比含量，x＝0.15at.％～1.15at.％；其中，a、b、c、d和e为溶质元素，溶质元素a和b为ce、la、nd、sm、gd、y和er元素中的任意两种，溶质元素c和d为zn、sn、ca和sr中的任意两种，溶质元素e为mn、zr和sc中的任意一种，余量为镁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为gdyznsnmn，溶质元素组的合金成分为mg99.75-(gdyznsnmn)0.25、mg99.5-(gdyznsnmn)0.5和mg99.0-(gdyznsnmn)1.0，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为348～363mpa、屈服强度为337～356mpa、伸长率为5.2～9.3％。
3.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为gdyznsnzr，溶质元素组的合金成分为mg99.75-(gdyznsnzr)0.25、mg99.5-(gdyznsnzr)0.5和mg99.25-(gdyznsnzr)0.75，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为390～405mpa、屈服强度为380～395mpa、伸长率为4.8～10.5％。
4.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为ceyzncazr，溶质元素组的合金成分为mg99.75-(ceyzncazr)0.25、mg99.5-(ceyzncazr)0.5和mg99.25-(ceyzncazr)0.75，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为358～370mpa、屈服强度为351～360mpa、伸长率为7.8～10.3％。
5.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为ndyzncazr，溶质元素组的合金成分为mg99.75-(ndyzncazr)0.25、mg99.5-(ndyzncazr)0.5和mg99.25-(ndyzncazr)0.75，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为360～384mpa、屈服强度为345～364mpa、伸长率为15.8～17.7％。
6.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为smyzncazr，溶质元素组的合金成分为mg99.8-(smyzncazr)0.2、mg99.6-(smyzncazr)0.4和mg99.4-(smyzncazr)0.6，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为315～340mpa、屈服强度为290～318mpa、伸长率为11.9～24.7％。
7.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组成为laerznsrsc，溶质元素组的合金成分为mg99.85-(laerznsrsc)0.15、mg99.7-(laerznsrsc)0.3和mg99.4-(laerznsrsc)0.6，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为343～355mpa、屈服强度为323～340mpa、伸长率为17.9～22.8％。
8.根据权利要求1所述的一种近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金，其特征在于，溶质元素组合为ceyzncamn，根据该溶质元素组优选的合金成分为mg99.7-(ceyzncamn)0.3、mg99.4-(ceyzncamn)0.6和mg99.15-(ceyzncamn)0.85和mg98.85-(ceyzncamn)1.15，所述近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的抗拉强度为300～398mpa、屈服强度为290～394mpa、伸长率为4.8～15.5％。
9.权利要求1-8任意一项所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的近等摩尔溶质多元合金化高强韧镁合金的制备方法，其特征在于，在熔炼过程中，原料表面覆盖有熔剂；和/或，所述熔剂选自2号镁合金熔剂、5号镁合金熔剂和6号镁合金熔剂中的一种或多种；
