CN107858616B - 一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度高塑性Mg‑Gd‑Y‑Zn‑Nd‑Zr铸造镁合金及其制备方法，属于镁合金技术领域，该铸造镁合金按质量百分比计，由以下组分组成：Gd：8.8‑9.8％，Y：0.8‑2.8％，Zn：0.8‑1.5％，Nd：0.1‑0.3％，Zr：0.4‑0.6％，杂质元素总量：＜0.1％，余量为Mg。将其铸锭通过固溶热处理，冷却至室温后在经过人工时效处理，再冷却至室温制得，制备方法简单易操作，只需常规设备，成本低，适合工业化生产，最终制备出的该铸造镁合金在室温条件下，该铸造镁合金的屈服强度可达到240‑300MPa，抗拉强度可达到340‑370MPa，延伸率可达到7‑10.5％。

Description

一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金及其制备 方法
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金具有资源丰富、密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振降燥能力强、能屏蔽电磁辐射和易于再生利用等优点，在汽车、航空航天、3C等相关行业已得到了一定应用。但随着社会的进步和相关产业的发展，对镁合金的性能提出了更高的要求。开发高强度高塑性镁合金已经成为目前研究工作的重点。
镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，其中，通过挤压、轧制、锻造等变形工艺可以制备出具有优良力学性能的高稀土变形镁合金，而铸造镁合金则是通过铸造方法生产的镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异，变形镁合金较铸造镁合金，拥有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性。但是值得注意的是，一些重要零部件，如航天器和武器装备结构件、汽车零件、机件壳罩、电气构件等，仍然需要通过铸造的方式的获得，而目前关于高强度高塑性铸造镁合金的研究仍然存在较大的不足。通常情况下，铸造镁合金强度的增加往往会伴随塑性的下降，很难同时获得高强度和高塑性的铸造镁合金，例如：Song Zhang 等(Effect of solid solution and aging treatments on themicrostructures evolution and mechanical properties of Mg–14Gd–3Y–1.8Zn–0.5Zralloy，Journal of Alloys and Compounds.2013，557： 91–97)开发的铸态Mg-14Gd-3Y-1.8Zn-0.5Zr合金的抗拉强度可达到为366MPa，但延伸率仅为 2.8％。因此，现有的铸造镁合金虽然拥有极佳的强度，但合金的延伸率较低，较差的塑性不利于该系合金的广泛应用，且随着全球对铸造镁合金需求量日益增加，开发高强度、高塑性的铸造镁合金将成为镁合金研究工作的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金；目的之二在于提供一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭进行固溶热处理，冷却至室温；
(2)将经步骤(1)处理过的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭进行人工时效处理，冷却至室温，即可。
进一步，步骤(1)中，按质量百分比计，所述Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭由以下组分组成：Gd：8.8-9.8％，Y：0.8-2.8％，Zn：0.8-1.5％，Nd：0.1-0.3％，Zr：0.4-0.6％，杂质元素总量：＜0.1％，余量为Mg。
进一步，步骤(1)中，所述固溶热处理具体为在440-480℃下保温8-12h。
进一步，所述固溶热处理具体为在440-480℃下保温10-12h。
进一步，步骤(2)中，所述人工时效处理具体为在180-200℃下保温10-42h。
进一步，步骤(1)和步骤(2)中，所述冷却为水淬冷却。
2、所述的制备方法制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金及其制备方法，通过科学的合金化成分设计，配合适当的热处理工艺，获得了同时具有高强度和高塑性的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金。在室温条件下，该铸造镁合金的屈服强度可达到240-300MPa，抗拉强度可达到340-370MPa，延伸率可达到7-10.5％。其中，Gd在Mg中的最大固溶度是23.5wt.％，其固溶度随温度下降而急剧减小，具有极强的时效强化效应，可与Mg形成Mg3Gd、Mg5Gd、Mg7Gd和MgGd等多种二元化合物相，能有效阻碍合金中位错滑移，通过限定镁合金中Gd元素的加入量，控制各二元化合物相的生成量，不仅可有效提升合金室温力学性能，并且可以提升合金的耐热性；Y元素不仅可以有效细化镁合金晶粒，同时还具有一定时效强化效应，可有效提升合金的力学性能，通过限定向含有Gd元素的镁合金中Y元素的加入量，不仅可以提高合金中析出相的体积分数，还可以提高合金的强度。
向含有Gd、Y稀土元素的镁合金中加入Zn后，镁合金中会形成长周期结构相(LPSO)，该相能够有效提升合金的强度和塑性，使合金获得优良的综合力学性能，但是，Zn的加入也会极大的降低Gd、Y在Mg中的固溶度，若合金成分设计不合理，Zn的加入量过多或Gd、 Y稀土元素含量过高时，Mg合金中容易出现难熔第二相，对合金力学性能造成危害，若Zn 的加入量过少，则不易析出LPSO相，不利于提升合金的力学性能。同时，Zr元素虽然对镁合金具有强烈晶粒细化作用，Mg-Zr合金是镁合金优良的晶粒细化合剂，向镁合金中添加Zr元素可以显著细化合金组织、提高组织均匀性、减少铸造缺陷，从而有效改善合金的强韧性和塑性。但是，向含有Gd、Y稀土元素和Zn元素的镁合金中加入Zr元素时，Zr元素会与 Zn元素反应生成Zr-Zn相，当Zr元素含量过高，Zr-Zn相会明显粗化，不利于合金的力学性能，但当Zr元素含量过低时，Zr-Zn相的析出会得到明显抑制，同时Zr元素的晶粒细化作用也会明显减弱，不利于提高合金的综合力学性能。进一步，Nd元素是一种轻稀土元素，当向镁合金中加入一定量的Nd元素后，可以产生析出强化效果，同时当向镁合金中微量的Nd元素，可以有效细化合金晶粒，提升合金的强度和塑性。只是当合金中加入Nd元素后，合金中Y、Gd的固溶度会大幅下降，加入过多的Nd元素会使Mg合金中容易出现难熔第二相，不利于合金力学性能。所以为了克服上述缺陷，本发明通过限定Gd、Y、Zn、Nd、Zr各元素在镁合金中的含量，加上特定的热处理工艺，使合金中析出了LPSO相和Mg5Gd相，最终制备得到了同时具备高强度和高塑性的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金。本发明中的制备方法简单易操作，只需常规设备，成本低，适合工业化生产。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为实施例1中制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的X射线衍射图；
图2为实施例1中制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的扫描组织图；
图3为实施例2中制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的扫描组织图；
图4为实施例3中制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的扫描组织图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
制备高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金
(1)将Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在480℃下保温12h进行固溶热处理，水淬冷却至室温，其中Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭，按质量百分比计，由以下组分组成：Gd：9.67％，Y：0.94％，Zn：1.0％，Nd：0.27％，Zr：0.42％，杂质元素总量：＜0.1％，余量为Mg；
(2)将经步骤(1)处理过的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在200℃下保温42h进行人工时效处理，水淬冷却至室温，制得高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金，其XRD分析结果如图1所示，扫描组织图如图2所示，由图1和图2可知，经过热处理后，合金主要由Mg基体、LPSO相和Mg5Gd相组成。其中，Mg5Gd相为时效析出相均匀分布于合金基体中，该相可有效提升合金的强度。同时合金的晶界处析出了块状的LPSO相，该相可以有效提升合金的塑性，使合金同时拥有高强度和高塑性。
实施例2
制备高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金
(1)将Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在480℃下保温12h进行固溶热处理，水淬冷却至室温，其中Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭，按质量百分比计，由以下组分组成： Gd：9.79％，Y：1.85％，Zn：1.02％，Nd：0.18％，Zr：0.47％，杂质元素总量：＜0.1％，余量为Mg；
(2)将经步骤(1)处理过的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在200℃下保温24h进行人工时效处理，水淬冷却至室温，制得高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金，其扫描组织图如图3所示，由图3可知，由于合金中Y含量的较实施例1有所增加，经过热处理后，合金中块状的LPSO相的体积分数较实施例1明显增加。值得注意的是，Y含量的增加会促进Mg5Gd相的析出，使合金的强度增加的同时，也会降低合金的塑性。但由于该合金中存在大量块状的LPSO相，使合金拥有高强度的同时仍然具备高塑性。
实施例3
制备高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金
(1)将Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在460℃下保温8h进行固溶热处理，水淬冷却至室温，其中Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭，按质量百分比计，由以下组分组成：Gd：9.21％，Y：2.81％，Zn：1.11％，Nd：0.13％，Zr：0.5％，杂质元素总量：＜0.1％，余量为Mg；
(2)将经步骤(1)处理过的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭在190℃下保温12h进行人工时效处理，水淬冷却至室温，制得高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金，其扫描组织图如图4所示，由图4可知，合金中同时析出了块状LPSO相和片层状LPSO相，块状LPSO相可有效增加合金的塑性，片层状LPSO相可有效提升合金的强度，但会降低合金的塑性。当块状LPSO相和片层状LPSO相析出比例较好时，仍然能得到高强度高塑性的 Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金。
测试实施例1-3所制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的力学性能，测试结果见表1。
表1实施例1-3所制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的力学性能
由表1可知，采用本发明方法制备的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金在具体高的屈服强度和抗拉强度的同时，还具有较高的延伸率，能够制备出高强度高塑性的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr 铸造镁合金。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭进行固溶热处理，冷却至室温；所述固溶热处理具体为在440-480℃下保温8-12h；
（2）将经步骤（1）处理过的Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭进行人工时效处理，冷却至室温，即可；所述人工时效处理具体为在180-200℃下保温10-42h；
按质量百分比计，所述Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金铸锭由以下组分组成：Gd：8.8-9.8%，Y：0.8-2.8%，Zn：0.8-1.5%，Nd：0.1-0.3%，Zr：0.4-0.6%，杂质元素总量：＜0.1%，余量为Mg。
2.如权利要求1所述的一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理具体为在440-480℃下保温10-12h。
3.如权利要求1所述的一种高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中，所述冷却为水淬冷却。
4.由权利要求1-3任一项所述的制备方法制备的高强度高塑性Mg-Gd-Y-Zn-Nd-Zr铸造镁合金。
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