CN104928550B

CN104928550B - 一种高强度高弹性模量铸造镁合金及其制备方法

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Publication number: CN104928550B
Application number: CN201510334808.8A
Authority: CN
Inventors: 吴国华; 刘文才; 李艳磊; 丁文江; 闵昌万; 王少华; 周克华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Beijing Institute of Near Space Vehicles System Engineering
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Beijing Institute of Near Space Vehicles System Engineering
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2017-09-08
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN104928550A

Abstract

本发明提供了一种高强度高弹性模量铸造镁合金及其制备方法，所述镁合金由按如下重量百分比计的元素组成：Gd：6～12wt％、Li：1～5wt％、Y：1～5wt％、Al：2～6wt％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni的总含量小于0.03wt％。所述镁合金的制备方法，包括依次进行的真空熔炼和热处理两个步骤。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明采用真空感应熔炼炉进行熔炼，降低了熔炼过程中夹杂物的产生，并大幅度降低了熔体在较高温度下的停留时间；本发明使所述镁合金在优化的热处理工艺条件下能够达到充分发挥其固溶强化和时效硬化的效果。

Description

一种高强度高弹性模量铸造镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高弹性模量铸造镁合金及其制备方法，属于镁合金加工技术领域。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热性好、机加工性能优良等优点，在汽车、航空航天等领域有着十分广泛的应用前景。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，构件的稳定性要求高可靠，对镁合金的刚度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求。同时，航空航天镁合金部件大多因结构复杂、尺寸大而采用铸造方法生产。合金化是提高合金力学性能的有效手段。从上世纪四十年代以来，相继开发了一系列具备优异性能的镁稀土合金(Mg–RE)，如国外研发的含稀土钇(Y)和钕(Nd)的镁合金WE54、WE43等，以及国内研发的Mg–Gd–Y系列镁合金等。其中，WE54和WE43合金是目前发展最为成功的商业耐热稀土镁合金，具有很高的室温和高温力学性能。

近10年来，我国利用自身的镁及稀土资源优势，在镁合金的基础研究方面开展了大量的研究工作，在新型镁合金的开发与应用方面也初见成效。与国外的合金相比，我国开发的Mg–Gd–Y系合金性能较稳定，室温和高温强度明显优于WE54合金，耐热温度更是达到了350℃。这主要是由于Gd、Y元素在镁基体中具有较大的固溶度，经高温固溶和时效处理后可形成大量的亚稳析出相(β″和β′)，从而提高了合金的强度。同时，对于Mg–RE合金，目前常用Zr作为晶粒细化剂，但Zr的加入也存在工艺复杂、能耗高、损耗高以及由此造成的价格昂贵等问题。

由于弹性模量是材料应力和应变之间的比例系数，实际上是原子间静电引力的表征，其数值反映了原子间结合力的大小。通常，金属的弹性模量对组织变化不敏感，因此需要引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相来提高基体金属的弹性模量。由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的。可惜的是，B.Y.Tang等在《Journal ofAlloys and Compounds》(合金与化合物杂志)2010年第492卷1–2期416–420页上发表的First-principles investigation of the structural andmechanical properties ofβ″phase in Mg–Gd alloy system(Mg–Gd合金系中β″相的结构与力学性能的第一性原理研究)研究表明，Mg–RE合金中MgGd(56.9GPa)、Mg₃Gd(46.1GPa)、Mg₇Gd(52.6GPa)、MgY(55.7GPa)、Mg₂₄Y₅(53.8GPa)和MgNd(55.4GPa)等相的弹性模量都比较低，使得Mg–RE合金的弹性模量也比较低，仅为40～45GPa，最终导致其抗弹性变形能力差，不能满足工程领域对轻质高强高模镁合金材料的需求。因此，提高镁合金特别是铸造镁合金的弹性模量是发展镁合金材料的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强度高弹性模量铸造镁合金Mg–Gd–Y–Li–Al。其通过在Mg–Gd–Y合金中添加Al细化晶粒，同时添加Li形成高弹性模量的强化相，而且通过之后相应的热处理工艺，使该合金可满足室温条件下对要求抗拉强度300MPa以上、弹性模量为50～60GPa的轻质材料和(或)零部件制造的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种高强度高弹性模量铸造镁合金，其由按如下重量百分比计的元素组成：Gd：6～12wt％、Li：1～5wt％、Y：1～5wt％、Al：2～6wt％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni的总含量小于0.03wt％。

本发明采用Gd(钆)为第一组分，因为在200℃时Gd在镁中的固溶度为3.82wt％，为保证合金得到良好的固溶强化和时效硬化效果，Gd的加入量不能过低，同时为避免合金成本及密度的过度增加以及合金过分脆化，Gd的加入量也不能过高，结合前人的研究结果，选择Gd的加入量在6～12wt％；本发明采用Y(钇)为第二组元，Y可以使得Gd在Mg中的固溶度略微降低，从而提高Gd的时效硬化效果，但是加入过多的Y会推迟时效硬化峰的出现，进而降低合金的强度，提高成本，因此Y的含量选择控制在1～5wt％；本发明选用Li(锂)为第三组元，Li与Al形成具有高弹性模量的Al₃Li强化相呈球状，具有LI2型结构，晶格常数为0.4nm，可以显著改善合金的弹性模量；本发明选用Al(铝)为第四组元，部分Al与稀土元素Gd、Y可形成Al–RE金属间化合物，在凝固过程中作为Mg基体的异质形核核心，达到细化晶粒、提高合金力学性能的效果，同时分布在晶界上的Al–RE颗粒还可以阻碍晶界的运动，提高晶粒的热稳定性，另一部分Al与Li形成强化相，因此Al的含量选择控制在2～6wt％。另一方面，本发明还提供了上述镁合金的制备方法，其特征在于，包括依次进行的真空熔炼和热处理两个步骤。

作为优选方案，所述真空熔炼步骤包括如下操作：

按镁合金中元素的化学计量比配料后，将纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在170～230℃预热3小时以上；

将预热后的纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在400～500℃下，于0.3～0.7个大气压中进行升温熔化；

待纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y完全溶化后，继续升温至700～760℃后加入纯Li，待纯Li完全熔化后，将熔体升温至720～740℃，搅拌后静置，待熔体温度降至710～740℃后浇铸成合金锭。

作为优选方案，所述中间合金Mg–Gd中，Gd的含量为20～50wt％。

作为优选方案，所述中间合金Mg–Y中，Y的含量为20～50wt％。

作为优选方案，所述浇铸操作所用的钢制模具预先加热至170～250℃。

作为优选方案，所述热处理步骤包括如下操作：将真空熔炼步骤中得到的合金锭在450～530℃下进行6～30h的固溶处理，然后在200～260℃下进行6～50h的时效处理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用真空感应熔炼炉进行熔炼，降低了熔炼过程中夹杂物的产生，并大幅度降低了熔体在较高温度下的停留时间；

(2)本发明采用Mg–Gd和Mg–Y中间合金间接添加Gd和Y元素，能够用纯Mg锭稀释中间合金熔炼过程中带来的较多夹杂物。本发明所述制备方法不仅有效降低了熔炼后合金中的夹杂物，而且也降低了熔炼时合金保护难度，同时减少了Gd和Y的烧损，提高合金的收得率，在保证合金强度和弹性模量的同时降低了合金的成本；

(3)本发明所述高强度高弹性模量铸造镁合金中的Al–RE相是在浇注后的凝固过程中长大的，浇注前合金中并无大颗粒相存在，细化效果持续时间久，抗衰退性好；在晶界处有很多Al–RE颗粒相，该相熔点高，在高温固溶过程中能够稳定存在，提高了所述高强度铸造镁合金中细小晶粒的热稳定性；

(4)本发明所述高强度高弹性模量铸造镁合金中的Al–Li相(Al₃Li)可以有效提高合金的弹性模量；

(5)本发明对所述镁合金在不同温度下的固溶和时效行为进行了系统研究，获得了固溶和时效处理的优化工艺参数，从而使所述镁合金在优化的热处理工艺条件下能够达到充分发挥其固溶强化和时效硬化的效果。

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为经本发明T6热处理态Mg–6Gd–5Y–5Li–6Al镁合金的金相组织照片；

图2为经本发明T6热处理态Mg–12Gd–Y–Li–2Al镁合金的金相组织照片；

图3为经本发明T6热处理态Mg–9Gd–3Y–3Li–4Al镁合金的金相组织照片。

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。

本发明通过在Mg–Gd–Y合金中添加廉价的Al原位生成Al–RE金属间化合物作为基体的异质形核核心，细化了合金且细化后的晶粒具有优异的热稳定性；同时添加Li形成高弹性模量的强化相，而且通过之后相应的热处理工艺，使该合金具有较高的强度和弹性模量。

本发明所提供的高强度高弹性模量铸造镁合金Mg–Gd–Y–Li–Al的组分及其质量百分比为：6～12wt％Gd(钆)、1～5wt％Y(钇)、1～5wt％Li(锂)、2～6wt％Al(铝)，杂质元素Si(硅)、Fe(铁)、Cu(铜)和Ni(镍)的总量小于0.03wt％，余量为Mg(镁)。

所述的wt％是指组分占所配制的合金总质量的百分比，该总质量为Mg、Al、Li和各种中间合金的质量和。

本发明所述的高强度高弹性模量铸造镁合金Mg–Gd–Y–Li–Al的制备方法分为两个阶段，即真空熔炼和随后的热处理工艺工序；其中：

所述的真空熔炼工艺步骤如下：

(1)烘料：将纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在170～230℃预热3小时以上，而纯Li不需要预热；

(2)熔Mg、Gd、Y和Al：将真空感应熔炼炉中的坩埚预热至400～500℃，放入烘干后的纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y，Mg–Gd和Mg–Y的加入量根据两种中间合金中Gd和Y所占质量百分比确定；开始抽真空，经过3～5次反充惰性气体氩气使真空度最终达到0.3～0.7个大气压，然后升温熔化。

(3)加Li：待纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y完全熔化后升温至700～760℃时真空条件下加入1～5wt％纯Li；

(4)铸造：待纯Li完全熔化后，熔体温度回升至720～740℃时搅拌5分钟，然后静置5～10分钟，静置后待熔体温度至710～740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至170～250℃；

所述的热处理工艺工序为：

将真空熔炼得到的合金锭在450～530℃温度中进行6～30小时的固溶处理，而后在200～260℃温度中进行6～50小时的时效处理。

所述的制备方法中，所述中间合金Mg–Gd中Gd占20～50wt％，即采用中间合金Mg–(20～50)wt％Gd；所述中间合金Mg–Y中Y占20～50wt％，即采用中间合金Mg–(20～50)wt％Y。

实施例1

本实施例涉及的高强度高弹性模量铸造镁合金的组分及其质量百分比为：6wt％Gd、5wt％Y、5wt％Li、6wt％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.03wt％，余量为Mg(wt％是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比，总质量为Mg、Al、Li和各种中间合金的质量和)。

该镁合金的制备方法包括真空熔炼和随后的热处理两个工艺工序。

其中，在前的真空熔炼工艺步骤如下：

(1)烘料：将纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在170℃预热3小时以上，而纯Li不需要预热；

(2)熔Mg、Gd、Y和Al：将真空感应熔炼炉中的坩埚预热至400℃，放入烘干后的纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y，Mg–Gd中间合金为Mg–20wt％Gd，即中间合金Mg–Gd中Gd占20wt％，加入量根据该中间合金Mg–Gd中Gd所占的质量百分比(即20wt％)确定，使Gd最后在制备的镁合金的总质量中占6wt％；Mg–Y中间合金为中间合金为Mg–20wt％Y，即中间合金Mg–Y中Y占20wt％，加入量根据该中间合金Mg–Y中Y所占的质量百分比(即20wt.％)确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占5wt.％；开始抽真空，经过3次反充惰性气体氩气使真空度最终达到0.3个大气压，然后升温熔化。

(3)加Li：待纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y完全熔化后升温至700℃时真空条件下加入5wt％纯Li；

(4)铸造：待纯Li完全熔化后，熔体温度回升至740℃时搅拌5分钟，然后静置5分钟，静置后待熔体温度至710℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至250℃；

随后的热处理工艺工序为：

将真空熔炼得到的Mg–Gd–Y–Li–Al合金锭在500℃温度中进行18小时的固溶处理，而后在200℃温度中进行50小时的时效处理，最后得到高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金。

该高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金T6态的微观组织见图1，室温力学性能为：

抗拉强度：330MPa，弹性模量：60GPa。

实施例2

本实施例涉及的高强度高弹性模量铸造镁合金的组分及其质量百分比为：12wt％Gd、1wt％Y、1wt％Li、2wt％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.03wt％，余量为Mg。

其中，在前的真空熔炼工艺步骤如下：

(1)烘料：将纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在230℃预热3小时以上，而纯Li不需要预热；

(2)熔Mg、Gd、Y和Al：将真空感应熔炼炉中的坩埚预热至500℃，放入烘干后的纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y，Mg–Gd中间合金为Mg–50wt％Gd，即中间合金Mg–Gd中Gd占50wt％，加入量根据该中间合金Mg–Gd中Gd所占的质量百分比(即50wt％)确定，使Gd最后在制备的镁合金的总质量中占12wt％；Mg–Y中间合金为中间合金为Mg–50wt％Y，即中间合金Mg–Y中Y占50wt％，加入量根据该中间合金Mg–Y中Y所占的质量百分比(即50wt％)确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占1wt％；开始抽真空，经过5次反充惰性气体氩气使真空度最终达到0.7个大气压，然后升温熔化。

(3)加Li：待纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y完全熔化后升温至760℃时真空条件下加入1wt％纯Li；

(4)铸造：待纯Li完全熔化后，熔体温度回升至720℃时搅拌5分钟，然后静置10分钟，静置后待熔体温度至740℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至170℃；

随后的热处理工艺工序为：

将真空熔炼得到的Mg–Gd–Y–Li–Al合金锭在450℃温度中进行30小时的固溶处理，而后在230℃温度中进行28小时的时效处理，最后得到高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金。

该高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金T6态的微观组织见图2，室温力学性能为：

抗拉强度：300MPa，弹性模量：50GPa。

实施例3

本实施例涉及的高强度高弹性模量铸造镁合金的组分及其质量百分比为：9wt％Gd、3wt％Y、3wt％Li、4wt％Al，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.03wt％，余量为Mg。

其中，在前的真空熔炼工艺步骤如下：

(1)烘料：将纯Mg、纯Al、中间合金Mg–Gd和Mg–Y在200℃预热3小时以上，而纯Li不需要预热；

(2)熔Mg、Gd、Y和Al：将真空感应熔炼炉中的坩埚预热至450℃，放入烘干后的纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y，Mg–Gd中间合金为Mg–35wt％Gd，即中间合金Mg–Gd中Gd占35wt％，加入量根据该中间合金Mg–Gd中Gd所占的质量百分比(即35wt％)确定，使Gd最后在制备的镁合金的总质量中占10wt％；Mg–Y中间合金为中间合金为Mg–35wt％Y，即中间合金Mg–Y中Y占35wt％，加入量根据该中间合金Mg–Y中Y所占的质量百分比(即35wt.％)确定，使Y最后在制备的镁合金的总质量中占3wt.％；开始抽真空，经过4次反充惰性气体氩气使真空度最终达到0.5个大气压，然后升温熔化。

(3)加Li：待纯Mg、纯Al、Mg–Gd和Mg–Y完全熔化后升温至730℃时真空条件下加入3wt％纯Li；

(4)铸造：待纯Li完全熔化后，熔体温度回升至730℃时搅拌5分钟，然后静置8分钟，静置后待熔体温度至725℃后撇去表面浮渣并进行浇铸成合金锭，浇铸用钢制模具预先加热至210℃；

随后的热处理工艺工序为：

将真空熔炼得到的Mg–Gd–Y–Li–Al合金锭在490℃温度中进行18小时的固溶处理，而后在260℃温度中进行6小时的时效处理，最后得到高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金。

该高强度高弹性模量Mg–Gd–Y–Li–Al合金T6态的微观组织见图3，室温力学性能为：

抗拉强度：320MPa，弹性模量：55GPa。

对比例1

本对比例是实施例1的对比例，提供一种镁合金，与实施例1所涉镁合金不同之处在于，不含Li。

该镁合金Mg–Gd–Y–Al的T6态的室温力学性能为：

抗拉强度：315MPa，弹性模量：44GPa。

对比例2

本对比例是实施例1的对比例，提供一种镁合金，与实施例1所涉镁合金不同之处在于，不含Al。

该镁合金Mg–Gd–Y–Li的T6态的室温力学性能为：

抗拉强度：300MPa，弹性模量：48GPa。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种高强度高弹性模量铸造镁合金，其特征在于，由按如下重量百分比计的元素组成：Gd：6％、Li：5wt％、Y：5wt％、Al：6wt％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni的总含量小于0.03wt％。

2.一种如权利要求1所述镁合金的制备方法，其特征在于，包括依次进行的真空熔炼和热处理两个步骤。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼步骤包括如下操作：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述中间合金Mg–Gd中，Gd的含量为20～50wt％。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述中间合金Mg–Y中，Y的含量为20～50wt％。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸操作所用的钢制模具预先加热至170～250℃。

7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理步骤包括如下操作：将真空熔炼步骤中得到的合金锭在450～530℃下进行6～30h的固溶处理，然后在200～260℃下进行6～50h的时效处理。