CN103388095A

CN103388095A - Mg-Gd-Y-Zr系镁合金及其大型复杂铸件的热处理方法

Info

Publication number: CN103388095A
Application number: CN2013103040082A
Authority: CN
Inventors: 吴国华; 刘文才; 江龙康; 魏广玲; 丁文江
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103388095B

Abstract

本发明公开了一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金及其大型复杂铸件的热处理方法；所述镁合金包含如下重量百分比的各组分：Gd8.5～10%，Y2.5～3.5%，Zr0.4～0.6%，杂质≤0.15%，余量为Mg。本发明还涉及前述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，包括如下步骤：步骤1，将Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件固溶，保温，空冷至室温；步骤2，时效处理，保温，空冷至室温，即可。本发明避免铸件因快速冷却导致各部分收缩不均匀，造成变形及开裂现象，成品率可提高50%以上。本发明工艺简单，节约水资源，适合大规模生产，可应用于汽车航空航天军工等多领域，满足多种应用场合的需求。

Description

Mg-Gd-Y-Zr系镁合金及其大型复杂铸件的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种金属结构材料领域的镁合金及其处理方法，具体地说，涉及是一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金及其大型复杂铸件的热处理方法。

背景技术

航空、航天和武器装备等由于特殊的工作环境，结构减重和结构承载与功能一体化是其发展的重要方向，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、抗震性能优良和切削加工性能好等优点，是一种在航空航天和国防军事工业领域具有广阔应用前景的结构材料。大量采用镁合金制造航天器和武器装备零部件可达到最大的减重效果，将是未来航空航天和国防军事工业发展的重要方向，可达到最大的减重效果。随着航天器和武器装备的现代化程度越来越高，航天器和武器的功能也越来越复杂和完善，因而对镁合金的性能（室温和高温强度、耐热、耐蚀）提出了更高的要求，需要选用高稀土含量的镁合金材料，如高强耐热Mg-Gd-Y-Zr系稀土镁合金。

航天器和武器装备对零部件的机械性能要求通常较高，铸态的性能远远不能满足将镁合金扩大到更广泛领域的要求。目前航天器和武器装备上使用的镁合金类零部件通常要采用固溶强化和时效强化，T6热处理可实现上述强化效果，即在450-550℃高温下固溶一段时间后，进行水淬处理冷却至室温，再在100-250℃温度下时效处理一段时间，再进行水淬处理，经过T6热处理的镁合金零部件的成分和组织更加均匀，机械性能得到大幅度的提高，能够满足航空航天和国防军事工业的性能要求，从而使得在航天领域广泛的应用镁合金零部件成为可能。

经对现有技术的文献检索发现，高岩等在《Journal of Rare Earths》（稀土学报）2008年第26卷第2期298-302页上发表的Effects of heat treatments onmicrostructure and mechanical properties of Mg-15Gd-5Y-0.5Zr alloy（热处理对Mg-15Gd-5Y-0.5Zr合金微观组织和力学性能的影响）研究了各种热处理工艺对镁合金Mg-15Gd-5Y-0.5Zr微观组织和拉伸力学性能的影响，结果表明，经T6热处理（525℃固溶12小时，水淬处理冷却至室温，然后225℃时效24小时，再进行水淬处理。）后Mg-15Gd-5Y-0.5Zr合金的拉伸强度提高了12%。

目前航天领域使用的镁合金零部件结构简单，铸态下表面残余应力较小，不易开裂，采用常用的T6水淬热处理工艺得到的零部件收缩较均匀，不易引起变形或开裂。不过，镁合金若要在航天器和武器装备上大量使用就必须实现镁合金零部件由目前的结构简单件向结构复杂件跨越，而科研与生产实践过程中发现，采用常用的T6水淬热处理工艺（固溶和时效之后均水淬处理，水温最高达95℃）对Mg-Gd-Y-Zr系稀土镁合金成型的复杂框架结构铸件进行处理，铸件易出现开裂缺陷。因此，有必要探索一种既能避免铸件开裂，又具有较高力学性能的最优T6空冷热处理工艺，这对于Mg-Gd-Y-Zr系稀土镁合金在航空航天领域特别是武器装备上的推广和应用意义重大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金及其大型复杂铸件的热处理方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明涉及一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金，所述Mg-Gd-Y-Zr系镁合金包含如下重量百分比的各组分：

Gd 8.5～10%，

Y 2.5～3.5%，

Zr 0.4～0.6%，

杂质≤0.15%，

余量为Mg。

第二方面，本发明还涉及前述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，将大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件固溶，保温，在室温空气中冷却至室温；

步骤2，时效处理，保温，在室温空气中冷却至室温，即可。

优选地，步骤1中，所述固熔温度为500～550℃。

优选地，所述固熔温度为525℃。

优选地，步骤1中，所述保温时间为8～16小时。

优选地，所述保温时间为12小时。

优选地，步骤2中，所述时效处理具体为：经步骤1处理后的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件加热至200～250℃。

优选地，所述时效处理具体为：经步骤1处理后的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件加热至250℃。

优选地，步骤2中，所述保温时间为8～20小时。

优选地，所述保温时间为10小时。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明涉及的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件在500～550℃固溶，保温8～16小时后空冷，因冷速较快，形成过饱和固溶体，在随后的时效过程中，发生GP区→β〞→βˊ转化，析出的β〞和βˊ相在整个空间上都是与基体高度共格的，因此显著提高了镁合金的强韧性。

（2）本发明涉及的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件的热处理方法与传统的T6热处理工艺相比，固溶和时效后采用空冷工艺代替水淬，避免了结构复杂铸件因太快的冷却速度导致各部分收缩不均匀，形成大的内应力，从而造成的变形及开裂现象，成品率可提高50%以上。

（3）本发明工艺简单，不需要使用大量加热到较高温度的水，从而节约水资源，节省能源。适合大规模生产，可应用于汽车航空航天军工等多领域，满足多种应用场合的需要。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件1）铸态金相组织照片；

图2为传统方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件1）的金相组织照片；

图3为本发明热处理方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件2）的金相组织照片；

图4为传统方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件3）的金相组织照片；

图5为传统方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件4）的金相组织照片；

图6为本发明热处理方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件5）的金相组织照片；

图7为传统方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件6）的金相组织照片；

图8为本发明热处理方法得到的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr合金（铸件7）的金相组织照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件，在溶剂或气体保护下将Mg-Gd-Y-Zr系合金按如下的表1中各组分配比熔化后升温到750℃，静置保温1h，之后降温至690～720℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行砂型铸造，即可，所得Mg-Gd-Y-Zr系镁合金大型复杂铸件（见图1）的成分（质量百分数%）数据见表1。

本实施例还涉及前述的一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法：取铸件2在550℃下固溶，保温8小时，空冷至室温，再在225℃下时效，保温8小时，空冷至室温，热处理后的铸件未发生变形开裂等情况见图3所示。

传统方法：取铸件1在550℃下固溶，保温8小时，水淬至室温，再在225℃下时效，保温8小时，水淬至室温，观察到铸件严重变形并且铸件表面出现裂纹见图2所示；

从不同热处理后的铸件1和铸件2上相应部位取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试，得出性能数据见表2。

实施例2

本实施例涉及一种大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件，在溶剂或气体保护下将Mg-Gd-Y-Zr系合金按如下的表1中各组分配比熔化后升温到750℃，静置保温1h，之后降温至690～720℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行砂型铸造，得到发明所涉及的复杂镁合金铸件，所得铸件的成分数据见表1。

本实施例还涉及前述的一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法：取所得铸件5（峰时效状态）在525℃下固溶，保温12小时，空冷至室温，再在250℃下时效，保温10小时，空冷至室温，热处理后的铸件未发生变形开裂等情况见图6所示。

传统方法：取铸件3在525℃下固溶，保温12小时，水淬至室温，再在250℃下时效，保温10小时，水淬至室温，观察到铸件严重变形，出现开裂现象见图4；取铸件4（峰时效状态）在525℃下固溶，保温12小时，水淬至室温，再在225℃下时效，保温10小时，水淬至室温，观察到铸件严重变形，出现开裂现象见图5所示；

从不同热处理后的铸件上相应部位取样，根据国标GB228-2002的标准，加工拉伸试样，进行力学性能测试，得出性能数据见表2。

实施例3

本实施例涉及一种大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件，在溶剂或气体保护下将Mg-Gd-Y-Zr系合金按如下的表1中各组分配比熔化后升温到750℃，静置保温1h，之后降温至690～720℃，捞去合金液表面浮渣，然后进行砂型铸造，即可。所得铸件的成分数据见表1。

本实施例还涉及前述的一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法：取铸件7在500℃下固溶，保温16小时，空冷至室温，再在200℃下时效，保温20小时，空冷至室温，热处理后的铸件未发生变形开裂等情况见图8所示。

传统方法：取铸件6在500℃下固溶，保温16小时，水淬至室温，再在200℃下时效，保温15小时，水淬至室温，观察到铸件严重变形且铸件表面出现开裂见图7所示；

表1

实施例	Gd	Y	Zr	杂质	Mg
						实施例1	10	3.5	0.5	≤0.15	余量
实施例2	9	3.0	0.6	≤0.15	余量
						实施例3	8.5	2.5	0.4	≤0.15	余量

表2

从表2中Mg-Gd-Y-Zr铸造镁合金力学性能可知，铸态下铸件的力学性能较差，往往不能满足工程上的要求，经T6热处理后，铸件的力学性能显著提高。对比不同的热处理方法可以发现，固溶和时效处理均采用空冷的方式与固溶和时效处理均采用水淬冷却处理的力学性能相当，在两种峰时效状态下（525℃×12h+225℃×10h，水淬；525℃×12h+250℃×10h，空冷），铸件的屈服强度和抗拉强度相差非常小，而空冷处理的方式却能有效的避免水淬导致的变形及开裂等问题。固溶和时效处理均采用空冷的方法可以用于复杂镁合金铸件的热处理，可以广泛用于航空航天等领域。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种Mg-Gd-Y-Zr系镁合金，其特征在于，所述Mg-Gd-Y-Zr系镁合金包含如下重量百分比的各组分：

Gd 8.5～10%，

Y 2.5～3.5%，

Zr 0.4～0.6%，

杂质≤0.15%，

余量为Mg。

2.一种如权利要求1所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤2，时效处理，保温，在室温空气中冷却至室温，即可。

3.如权利要求2所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，步骤1中，所述固熔温度为500～550℃。

4.如权利要求3所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，所述固熔温度为525℃。

5.如权利要求2所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，步骤1中，所述保温时间为8～16小时。

6.如权利要求5所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，所述保温时间为12小时。

7.如权利要求2所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，步骤2中，所述时效处理具体为：经步骤1处理后的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件加热至200～250℃。

8.如权利要求7所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，所述时效处理具体为：经步骤1处理后的大型复杂Mg-Gd-Y-Zr系镁合金铸件加热至250℃。

9.如权利要求2所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，步骤2中，所述保温时间为8～20小时。

10.如权利要求9所述的Mg-Gd-Y-Zr系镁合金制备的大型复杂铸件的热处理方法，其特征在于，所述保温时间为10小时。