CN107974600B - 一种富钆镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种富钆镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种富钆镁合金及其制备方法，属于镁基合金及其热处理工艺技术领域。本发明的富钆镁合金，由以下质量百分比的组分组成：钆9～13％，钇1～5％，钐1～3％，铝0.4～1％，余量为镁和不可避免的杂质。本发明的富钆镁合金采用多组元元素混合添加，能够起到复合强化的效果，充分发挥了所添加元素的固溶强化、弥散强化和细晶强化的作用，具有优异的抗蠕变性能，在200℃/150MPa，100h的蠕变应变量可低至0.051％，稳态蠕变速率可低至1.06×10‑10s‑1；在250℃/150MPa，100h的蠕变应变量可低至0.33％，稳态蠕变速率可低至2.19×10‑9s‑1。

Description

一种富钆镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种富钆镁合金及其制备方法，属于镁基合金及其热处理工艺技术领域。
背景技术
镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度低，阻尼减震性能优良，比刚度和比强度高，电磁屏蔽性能好以及易于回收等优点。因此，镁合金在航空航天、国防军工、汽车、电子产品等领域具有广阔的应用前景。但通常情况下，普通的铸造镁合金强度和抗蠕变性能均会随着服役环境温度的升高而急剧下降，这又限制了镁合金的发展，使得镁合金的实际应用量远小于铝和钢铁材料，因此开发高温性能稳定和具有优异抗蠕变性能的新型镁合金已成为重要研究方向。
蠕变是指材料在恒温恒载作用下，发生缓慢而持久的变形，变形量随着时间的延长而增加的过程。材料的抗蠕变性能可在一定程度上反应出材料在服役过程中的应力应变规律和疲劳断裂寿命等。镁合金的蠕变主要是通过位错滑移和晶界滑移的方式进行，通过添加一定的合金元素来阻碍位错的滑移和强化合金的晶界是提高镁合金抗蠕变性能的主要方法。在众多合金元素中稀土元素是最有效的合金化元素，稀土元素可与镁在凝固过程中形成初生第二相，同时可在时效过程析出镁稀土金属间化合物，时效析出的镁稀土金属间化合物，它具有较高的熔点且细小弥散分布于镁合金的基体和晶界处，能够很好的阻碍位错的运动和晶界的滑移，提高合金的抗蠕变性能。
目前发展最为成功和已经商用的稀土镁合金WE54虽具有很高的室温、高温强度以及高温抗蠕变性能，但在对抗蠕变性能要求比较高的领域，该合金还不能满足服役要求。此外，河南科技大学硕士学位论文《Mg-Gd-Y-Sm-Zr合金耐热性能和强化机理研究》(周伟，2013年5月)中公开了一种Mg-Gd-Y-Sm-Zr合金，由以下质量百分比的组分组成：Gd 12％，Y2％，Sm 1％或2％，Zr 0.5％，余量为Mg。该耐热镁合金虽然具有良好的拉伸力学力学性能，但其高温抗蠕变性能同样仍难以满足需求。因此，迫切需求开发出一种具有优异抗蠕变性能的新型镁合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异的抗蠕变性能的富钆镁合金。
此外，本发明还提供了一种富钆镁合金的制备方法。
为了实现以上目的，本发明的富钆镁合金所采用的技术方案是：
一种富钆镁合金，由以下质量百分比的组分组成：钆9～13％，钇1～5％，钐1～3％，铝0.4～1％，余量为镁和不可避免的杂质。
本发明的富钆镁合金，以钇组在镁中具有较高固溶度的稀土元素钆、钇为主要添加元素，并添加铈组在镁中具有较大固溶度的稀土元素钐和微量的铝元素以强化稀土元素钆、钇的强化效果。富钆镁合金中的稀土元素能够与镁形成Mg5Gd、Mg24Y5和Mg41Sm5稀土相，这些稀土相具有较高的熔点和热稳定性，可有效强化基体和晶界，在高温蠕变的过程中，可起到钉扎晶界，降低晶界的原子扩散速率，提高了合金晶界的扩散激活能，同时能够阻碍位错的运动，并与位错交互作用，形成Snoek气团、Cottrell气团等，从而提高合金的高温抗蠕变性能；微量的铝元素可与稀土元素形成铝稀土相，其熔点在1480～1550℃之间，在凝固过程中能够优先形核，形成形核核心，细化合金晶粒，从而使得合金在具有一定强度的同时也具有良好的塑性，同时另有一部分铝稀土相作为高熔点热稳定相，弥散分布在基体的晶界上，阻碍位错运动，进一步提高合金的抗蠕变性能。
本发明的富钆铸造镁合金采用多组元元素混合添加，能够起到复合强化的效果，充分发挥了所添加元素的固溶强化、弥散强化和细晶强化的作用，具有优异的抗蠕变性能。本发明的富钆铸造镁合金在200℃/150MPa，100h的蠕变应变量可低至0.051％，稳态蠕变速率可低至1.06×10-10s-1；在250℃/150MPa，100h的蠕变应变量可低至0.33％，稳态蠕变速率可低至2.19×10-9s-1。本发明的富钆铸造镁合金可在高温下长时间稳定服役，解决了现有镁合金抗蠕变性能低的问题。
所述不可避免的杂质的质量百分比不大于0.03％。
本发明的富钆镁合金的制备方法所采用的技术方案为：
一种上述富钆镁合金的制备方法，包括以下步骤：制备镁合金熔液，浇注，得到镁合金铸锭，然后将镁合金铸锭进行固溶处理和时效处理，即得。
本发明的富钆镁合金的制备方法，工艺简单，易于操作，并且所得富钆镁合金具有优异的抗蠕变性能，便于应用推广。
浇注前，将浇注采用的模具加热至250～280℃。
所述固溶处理为先在510～530℃保温5～8h，淬火；然后再在560～580℃保温3～5h，淬火。稀土元素钆、钇、钐在镁中均具有较大的固溶度，且随着温度的降低固溶度急剧下降。稀土元素钆548℃时在镁中的固溶量可达23.5wt.％，200℃则降为3.82wt.％；稀土元素钇在565℃时在镁中的固溶量可达12.6wt.％，在200℃时仅有2.2wt.％；稀土元素钐在542℃时在镁中的固溶量可达5.8wt.％，在200℃时仅有0.4wt.％。先在510～530℃保温5～8h，以使合金低共晶温度的Mg-Gd-Y共晶相先固溶入基体，避免过烧；再在560～580℃保温3～5h，以使合金高共晶温度的相固溶进基体，合金经两段保温处理，铸态组织中一些粗大的枝晶以及第二相固溶进基体，固溶的更加彻底，以便充分发挥稀土元素对合金的固溶强化作用。
所述淬火采用的淬火液的温度为70～90℃。淬火液可以采用温度为70～90℃的热水。
经过固溶处理后，合金中形成过饱和固溶体，经过时效处理，可在合金基体中以及晶界处析出细小弥散分布的Mg5Gd、Mg24Y5和Mg41Sm5稀土相，提高合金的高温抗蠕变性能。
优选的，所述时效处理为人工时效。所述时效处理为在200～240℃保温8～16h，然后冷却。该冷却可采用出炉空冷的方式进行冷却。
所述镁合金熔液的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛中，将铝加入镁、钆、钐、钇的合金熔液中保温3～8min。
合金中所用到的铝以单质的性质加入，将微量的铝最后加入到镁、钆、钐、钇的合金熔液中即避免了单质铝在熔炼升温过程的烧损，保证了合金中铝的含量，又使得铝能够与稀土元素充分的接触，形成铝稀土化合物。
镁、钆、钐、钇的合金熔液的温度为750～770℃。
镁、钆、钐、钇的合金熔液是将镁、镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁钐中间合金进行熔融得到。采用中间合金作为原料可以降低熔融的温度，减少合金元素的烧损。
所述熔融为先将镁熔融，然后再依次加入镁钆中间合金、镁钇中间合金和镁钐中间合金进行熔融。先将镁熔融再加入镁和稀土元素的中间合金，可以进一步减少合金元素的烧损。
制备镁合金熔液在无氧条件下进行。无氧条件可避免金属被氧化。如可以在保护气氛下或在真空条件下制备镁合金熔液。所述保护气氛为CO2和SF6混合气体。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
本实施例的富钆镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Gd 9％、Y 5％、Sm 2％、Al0.4％，其余为Mg和不可避免的杂质，且杂质的含量不超过0.03％。
本实施例的富钆镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)去除镁、铝、镁钇中间合金、镁钆中间合金和镁钐中间合金的氧化皮，然后干燥，备用；
2)取配方量经过步骤1)处理过的镁、镁钆中间合金、镁钇中间合金和镁钐中间合金依次放入坩埚中，然后转移至电磁感应炉中，在CO2和SF6混合保护气体的保护下进行熔炼，得到镁、钆、钇、钐的合金熔液；
3)然后将镁、钆、钇、钐的合金熔液升温至750℃，加入铝，保温8min，得到镁合金熔液；
4)将镁合金熔液浇注到已经预热至280℃的金属型模具中，得到镁合金铸锭；
5)先将镁合金铸锭进行固溶处理：将镁合金铸锭先在530℃保温5h，采用90℃的热水进行淬火；再在560℃保温5h，采用90℃的热水淬火；
然后将固溶处理后的镁合金铸锭进行人工时效处理：将固溶处理后的镁合金铸锭在200℃保温16h，空冷，即得。
实施例2
本实施例的富钆镁合金由以下质量百分比的组分组成：Gd 11％、Y 2.5％、Sm3％、Al0.8％，其余为Mg和不可避免的杂质，且杂质的含量不超过0.03％。
本实施例富钆镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)去除镁、铝、镁钇中间合金、镁钆中间合金和镁钐中间合金的氧化皮，然后干燥，备用；
2)取配方量经过步骤1)处理过的镁、镁钆中间合金、镁钇中间合金和镁钐中间合金依次放入坩埚中，然后转移至电磁感应炉中，在CO2和SF6混合保护气体的保护下进行熔炼，得到镁、钆、钇、钐的合金熔液；
3)然后将镁、钆、钇、钐的合金熔液升温至760℃，加入铝，保温6min，得到镁合金熔液；
4)将镁合金熔液浇注到已经预热至260℃的金属型模具中，得到镁合金铸锭；
5)先将镁合金铸锭进行固溶处理：将镁合金铸锭先在520℃保温6h，采用80℃的热水进行淬火；再在570℃保温4h，采用80℃的热水淬火；
然后将固溶处理后的镁合金铸锭进行人工时效处理：将固溶处理后的镁合金铸锭在220℃保温12h，空冷，即得。
实施例3
本实施例的富钆镁合金由以下质量百分比的组分组成：Gd 13％、Y 1％、Sm 1％、Al 1％，其余为Mg和不可避免的杂质，且杂质的含量不超过0.03％。
本实施例富钆镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)去除镁、铝、镁钇中间合金、镁钆中间合金和镁钐中间合金的氧化皮，然后干燥，备用；
2)取配方量经过步骤1)处理过的镁、镁钆中间合金、镁钇中间合金和镁钐中间合金依次放入坩埚中，然后转移至电磁感应炉，在CO2和SF6混合保护气体的保护下进行熔炼，得到镁、钆、钇、钐的合金熔液；
3)然后将镁、钆、钇、钐的合金熔液升温至770℃，加入铝，保温3min，得到镁合金熔液；
4)将镁合金熔液浇注到已经预热至250℃的金属型模具中，得到镁合金铸锭；
5)先将镁合金铸锭进行固溶处理：将镁合金铸锭先在510℃保温8h，采用70℃的热水进行淬火；再在580℃保温3h，采用70℃的热水淬火；
然后将固溶处理后的镁合金铸锭进行人工时效处理：将固溶处理后的镁合金铸锭在240℃保温8h，空冷，即得。
实验例
本实验例对实施例1～3的富钆镁合金的室温和高温抗拉强度、伸长率以及高温抗蠕变性能进行测试，抗拉强度和伸长率测试方法：根据国家标准GB6397-1986《金属拉伸实验试样》加工成圆棒状拉伸试样，采用岛津精密万能电子拉伸实验机进行测试；高温抗蠕变性能测试方法：根据国家标准GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久实验方法》加工成圆棒状蠕变试样，采用RC-1130型蠕变持久试验机进行测试。抗拉强度、伸长率以及高温抗蠕变性能测试结果如表1所示。
表1实施例1～3的富钆镁合金抗拉强度、伸长率以及高温抗蠕变性能测试结果
从表1中可以看出，本发明的富钆镁合金具有优良的室温和高温力学性能，特别是具有优异的高温抗蠕变性能。

Claims (8)

1.一种富钆镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：钆9~13%，钇1~5%，钐1~3%，铝0.4~1%，余量为镁和不可避免的杂质；所述富钆镁合金由包括以下步骤的方法制备得到：制备镁合金熔液，浇注，得到镁合金铸锭，然后将镁合金铸锭进行固溶处理和时效处理；所述固溶处理为先在510~530℃保温5~8h，淬火；然后再在560~580℃保温3~5h，淬火；所述时效处理为在200~240℃保温8~16h，然后冷却。
2.根据权利要求1所述的富钆镁合金，其特征在于：所述不可避免的杂质的质量百分比不大于0.03%。
3.一种如权利要求1所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：制备镁合金熔液，浇注，得到镁合金铸锭，然后将镁合金铸锭进行固溶处理和时效处理，即得；所述固溶处理为先在510~530℃保温5~8h，淬火；然后再在560~580℃保温3~5h，淬火；所述时效处理为在200~240℃保温8~16h，然后冷却。
4.根据权利要求3所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：所述淬火采用的淬火液的温度为70~90℃。
5.根据权利要求3所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：所述镁合金熔液的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛中，将铝加入镁、钆、钐、钇的合金熔液中保温3~8min。
6.根据权利要求5所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：镁、钆、钐、钇的合金熔液的温度为750~770℃。
7.根据权利要求5所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：镁、钆、钐、钇的合金熔液是将镁、镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁钐中间合金进行熔融得到。
8.根据权利要求7所述的富钆镁合金的制备方法，其特征在于：所述熔融为先将镁熔融，然后再依次加入镁钆中间合金、镁钇中间合金和镁钐中间合金进行熔融。
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