CN105568105B - 一种高强度高塑性Mg‑Gd‑Y‑Ni‑Mn合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高塑性的Mg‑Gd‑Y‑Ni‑Mn合金材料及其制备方法，所述合金各组成成分的质量百分含量为：Gd=5.0～12.5%，Y=2.0～5.0%，Ni=1.0～3.0%，Mn=0.4~1.0%，余量为镁和不可避免的杂质。采用如下工艺制备：配料、真空熔炼铸锭、均匀化退火、挤压和时效。该材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

Description

一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种变形镁合金及其制造方法，特别是一种高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，所述合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd，Y、Ni和Mn五种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥450MPa,最高可达断裂延伸率≥9%。最高可达抗拉强度510MPa,断裂延伸率10%。

背景技术

镁的弹性模量比较小，在受力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、电子通讯等领域得到了一定程度的应用。但是，由于镁合金强度低，还难以大量应用于承载结构件，尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金，其室温力学性能明显不足，已经严重的制约了其进一步的应用。

CN201410725433.3公开了“一种高强度高塑性稀土镁合金及其制备方法和应用”，该镁合金的成份含量为 ： RE:6～12wt%，Zr:0～1wt%，Zn:1～4wt%，Ni:0.1～2.5wt%，其余为 Mg 和不可避免的杂 质元素。 该专利合金铸造态经固溶、挤压处理后常温最好力学性能数据是抗拉强度 450 ～ 480MPa，伸长率 7 ～ 9%。 金属 Zr 及其合金的价格显著高于金属 Mn 及其合金，会增加 合金成本，并且该合金的强度与塑性较低。

CN201010219696.9公开了“一种强力变形制备超高强镁合金棒材的方法”，该镁合金的成份含量为：Gd:6～13％，Y:2～6％，Zr:0.3～0.8％，其余为Mg及不可去除的杂质元素。该专利合金铸造态经坯料预变形成棒材，再利用快速强力变形配合等温时效方法制备，室温最好力学性能数据是抗拉强度615MPa，但是延伸率仅有1.1%。该发明涉及预变性和强力快速压缩变形，会增加合金制备难度，金属 Zr 及其合金的价格显著高于金属 Mn 及其合金，会增加 合金成本，同时金属Zr熔炼时难以调控，并且该合金延伸率较低。

因此，选择在镁中添加合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，并对挤压态合金进行适当热处理，利用复合强化手段来提高镁合金的强度，改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围，成为本领域技术人员有待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金；另一方面，本发明还为了实现工艺简单，操作容易和降低成本的目的，提供一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，所述镁合金主要由Mg、Gd、Y、Ni和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Gd=5.0～12.5%，Y=2.0～5.0%，Ni=1.0～3.0%，Mn=0.4~1.0%，余量为镁和不可避免的杂质。

上述高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-8.14%，Y-3.83%，Ni-1.51%，Mn-0.76%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

另一种优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-7.25%，Y-4.26%，Ni-2.28%，Mn-0.82%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

再一种优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-6.82%，Y-4.83%，Ni-1.13%，Mn-0.59%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1%。

所述合金采用如下方法制备：

（1）按照上述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Y-Ni中间合金和Mg-Mn中间合金；采用真空熔炼、浇铸得到合金铸锭；

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化退火处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至 500 ±10℃后，保温时间 10小时后水冷 ，再将水冷后的坯料进行挤压得到挤压态合金；其中，所述挤压采用的工艺参数为：挤压温度450℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度2 mm/s恒定；

（3）对步骤（2）经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，其工艺参数为：时效温度 200℃，保温时间 50 小时，水冷，制得高强度镁合金材料。

进一步，步骤（1）中，所述真空熔炼和浇铸为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Gd、Y和Ni能够在镁合金中形成Mg-RE-Ni长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，兼顾了固溶强化、形变强化和弥散强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

所述高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行时效热处理得到最终合金。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出在Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金中使Mg、Gd、Y和Ni形成大量长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，该工艺是固溶强化、形变强化和弥散强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。

仅以如下高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金为例，其具有较高的力学性能，其中时效态Gd-8.14%，Y-3.83%，Ni-1.51%，Mn-0.76%；余量为Mg和少量的杂质；该合金的室温抗拉强度为510MPa，屈服强度为384MPa，延伸率为10.0%；其强度与目前常用的变形镁合金AZ91、ZK60相比显著提高。

所述高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行适当热处理后得到的合金。

2、本发明中稀土金属的加入引入了Mg-RE-Ni长周期相，能够显著提高镁合金的室温强韧性，合金元素配方简单，用Mn元素替换Zr元素，Ni元素替换Zn元素，还有利于改善合金的耐腐蚀性能，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。

3、本发明方法无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制；具有工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金及其制备方法做进一步详细说明。

本发明高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd，Y、Ni和Mn五种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥510MPa，断裂延伸率≥10%。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Gd、Y和Ni能够在镁合金中形成Mg-RE-Ni长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，通过工艺控制使Mn元素进一步弥散分布细化晶粒，再通过挤压变形和时效处理增强强化效果，兼顾了固溶强化、形变强化和弥散强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。

实施例1：一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-8.14%，Y-3.83%，Ni-1.51%，Mn-0.76%，杂质元素小余0.1%，其余为Mg。

该高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的制造方法，按如下步骤进行：

步骤1：在真空熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Gd-8.14%，Y-3.83%，Ni-1.51%，Mn-0.76%添加合金元素。其中，Gd、Y、Ni、Mn分别以Mg–30wt%Gd,Mg–25wt%Y, Mg–4wt%Mn, 和 Ni–30wt%Y中间合金形式加入。

在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟，然后进行浇铸。

步骤2：将所熔炼的镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至500℃±10℃，时间10小时。均匀化处理后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为450℃，挤压比为 11，挤压速度2mm/s恒定。

镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。

步骤3：将挤压态合金进行时效处理，其工艺参数为 ：热处理温度为 200℃，保温时 间 50 小时，水冷。镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。表1 为实施例1所述高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的力学性能表。

实现本发明目的的其他实施例配方，参见表2，其中力学性能是指合金时效态室温下的抗拉强度和屈服强度；工艺方法参见实施例1。

实施例2：一种高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-7.25%，Y-4.26%，Ni-2.28%，Mn-0.82%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的制造方法，同实施例1。

实施例3：一种高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-6.82%，Y-4.83%，Ni-1.13%，Mn-0.59%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。

该高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的制造方法，同实施例1。

表2 为实施例2-5所述高强度Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金的力学性能表。

本发明提出在Mg-Y-Ni-Mn合金中使Mg、Gd、Y和Ni形成大量长周期相，可起到显著的弥散强化效果。再通过挤压变形和多级热处理增强强化效果，加入适量的Mn元素，通过工艺控制，使Mn以单质点形式弥散分布进一步细化晶粒，提高力学性能，该工艺是固溶强化、形变强化和弥散强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。该材料无需精炼、挤压比低(λ＝11)，打破了高性能镁合金制备工艺复杂、制备条件苛刻的限制，工艺简单，可移植性强，且容易操作，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，使得现有的工业条件就能直接生产出高性能镁合金，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。

本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。

本发明提供的高强度高塑性稀土镁合金制备方法简单，其中稀土元素通过中间合金的形式加入，成分混合更加均匀。充分利用合金的固溶强化，沉淀强化，时效强化的效果，利用Gd，Y，Zn，Ni合金化元素的优势，得到了一种极具应用前景的高强度高塑性稀土镁合金。

应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述合金主要由Mg、Gd、Y、Ni和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Gd=5.0～12.5，Y=2.0～5.0，Ni=1.0～3.0，Mn=0.4~1.0%，余量为镁和不可避免的杂质；

制备方法，包括如下步骤：

（1）按照上述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Y-Ni中间合金、Mg-Mn中间合金；采用真空熔炼、浇铸得到合金铸锭；

（2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化退火处理，其工艺参数为：将铸锭入炉升温至500℃后，保温10小时后水冷，再将制好的铸锭坯料进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度450℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度2mm/s恒定；

（3）对步骤（2）经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，其工艺参数为：时效温度200℃，保温时间50小时水冷，制得高强度镁合金材料；

所述步骤（1）中，真空熔炼和浇铸为将原料加入坩埚并通入氩气进行保护，在真空冶炼炉中熔炼；在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。

2.根据权利要求1所述高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-8.14%，Y-3.83%，Ni-1.51%，Mn-0.76%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

3.根据权利要求1所述高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-7.25%，Y-4.26%，Ni-2.28%，Mn-0.82%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。

4.根据权利要求1所述高强度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金，其特征在于，所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-6.82%，Y-4.83%，Ni-1.13%，Mn-0.59%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。