CN108456815A - 一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg‑Gd‑Y‑Zr铸造合金及其制备方法，属于镁合金技术领域。该合金包含四种合金化元素，其质量百分比含量分别为：Gd元素为5.90.1，Y元素为1.60.1，Zr元素为0.40.1，其余为Mg元素。该合金经过525℃固溶处理6小时，200‑225℃时效处理64小时后，得到了305MPa的抗拉强度，186 MPa的屈服强度，9.0%的延伸率和49.1 GPa的弹性模量性能。该发明的益处在于发展了一种低稀土溶质含量的合金，有效降低了合金的成本和密度，在具有高的塑性性能的同时保证了超过300 MPa的高强度。

Description

一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金及其制备方法，属于镁合金技术领域。
背景技术
镁合金作为目前最轻的工程金属材料，具有比强度、比刚度高，阻尼减振性好，电磁屏蔽和导热性能强，易切削加工和易于回收等一系列独特的优点，在航空航天、汽车和3C（计算机、通信、消费类电子）等结构件产业中具有极大的发展前景。现阶段，商业用镁合金主要集中在Mg-Al体系和Mg-RE体系，包括中强度铸造合金AZ91，高塑性铸造合金AM50、AM60，高塑性变形合金AZ31和高强度铸造合金WE43、WE54。而针对航天航空和汽车等领域对轻质高强镁合金性能的高要求，传统牌号镁合金将无法胜任，亟需开发出更高性能镁合金。其中Mg-Gd-Y-Zr铸造合金由于其更高的强度及良好的耐热性得到广泛研究和开发。但是该合金的研究现状主要是通过添加更多组元的合金化元素，及不断调整各组员成分含量和热处理工艺参数，以大量的实验过程来收集数据，从而选择出具有优异性能的合金成分。且该合金的研究主要集中在合金元素Gd的质量百分比含量为8-15区间，使得合金具有很高的强度，却大大降低了合金的塑性。
所以，能否找到一种有效指导合金成分设计的方法，在保证合金的高强度的同时提升合金的塑性，是相关研究者们需要解决的问题。
发明内容
本发明基于现有Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的成分，确定了该体系合金的成分与性能之间的规律，并提出了针对Mg-RE体系合金的溶质均匀模型，该模型通过建立固溶体中的溶质近程序局域结构，使得溶质能均匀分布于基体之中，得到最稳定的固溶体结构，从而确定了具有高结构稳定性的低溶质含量的Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的理想成分。
本发明采用的技术方案是：一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金，所述合金包含四种合金化元素，其质量百分比含量分别为：Gd元素为5.90.1，Y元素为1.6 0.1，Zr元素为0.4 0.1，其余为Mg元素。
所述的一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的制备方法，具体制备方法的步骤是：
（a）使用纯Mg锭和质量百分比成分分别为Mg-84Gd、Mg-25Y、Mg-30Zr的中间合金作为原料，采用中频电磁感应真空熔炼炉熔炼，永久模铸造方式，制备出Mg-Gd-Y-Zr铸造合金锭；
（b）测试实际合金成分并与名义成分进行比较，控制实验误差；
（c）利用DSC测试合金的相变点，并结合金相组织分析，确定合金的固溶温度和时间，其中固溶温度比相变温度低10-20℃；
（d）根据（c）中的结果，在520-530℃温度下对Mg-Gd-Y-Zr合金固溶处理6小时；
（e）将固溶处理后的Mg-Gd-Y-Zr合金置于油浴炉中进行时效处理，时效温度为和225℃，时效处理时间为64小时；
（f）对热处理之后的Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的拉伸样品，进行拉伸性能测试，从而得到合金的力学性能数据。
所述合金的抗拉强度为305MPa，屈服强度为186 MPa，延伸率为9.0%，弹性模量为49.1 GPa。
上述技术方案，根据溶质均匀模型实施合金成分设计。该模型描述低溶质含量的化学近程序结构。合金化元素首先与基体镁元素构建稳定固溶体结构单元，可通过我们发展的团簇加连接原子结构模型给出，在本体系中，稳定固溶体的成分式为[(Gd,Y)-Mg12](Mg,Zr)6，其中与镁呈负混合焓的元素Gd和Y置于密堆六角结构的12配位多面体团簇的中心位置，正混合焓Zr与Mg置于团簇之外的连接原子位置。其次，该团簇式散布于基体Mg中，与单质Mg团簇式[Mg-Mg12]Mg3具有简单的1:3的比例关系，在空间上对应于溶质团簇式填充Mg团簇式构建的类体心立方点阵地所有八面体间隙为，是一种溶质高度均匀分布的构型。最后，确定了三种合金化元素Gd、Y和Zr元素的质量百分比含量分别为：Gd元素为5.9， Y元素为1.6，Zr元素为0.4，其余为Mg元素，各合金元素的含量误差在0.1之内。
前人开发的Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的重稀土元素Gd、Y质量百分比含量总和一般为9-20，其中Y元素质量百分比含量一般为3，其余为Gd，起晶粒细化作用的Zr元素质量百分比含量一般为0.5。本发明合金中，Gd、Y质量百分比含量总和为7.5 0.2，其中Y元素质量百分比含量为1.6 0.1，其余为Gd，重稀土元素含量明显减少，Zr元素质量百分比含量为0.4 0.1，没有变化。
本发明的有益效果是：（1）降低了Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的溶质含量，降低合金成本和密度；（2）保证了合金的高强度，提升了合金的塑性性能，其抗拉强度为305MPa，屈服强度为186 MPa，延伸率为9.0%，弹性模量为49.1 GPa；（3）通过低溶质含量的溶质均匀模型，使合金在具有高的塑性性能的同时，保证了超过300 MPa的高强度。
附图说明
图1是 Mg-Gd体系合金的延伸率和抗拉强度之间的关系，其中箭头所指合金为Mg-Gd-Y-Zr铸造合金。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步说明。
本发明首先分析了现有Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的成分，确定了该体系适用的溶质均匀模型；然后根据模型设计了质量百分比含量为Mg-5.9Gd-1.6Y-0.4Zr的铸造合金；接着，经过合金制备得到了该铸造合金的力学性能为：305MPa的抗拉强度，186 MPa的屈服强度，9.0%的延伸率和49.1 GPa的弹性模量性能；最后，将该合金与其他研究报告中的Mg-Gd体系合金性能（表1）进行比较，可以得到，本发明中的Mg-5.9Gd-1.6Y-0.4Zr的合金在降低溶质含量的同时具有高强度和高塑性。
表1 典型Mg-Gd体系铸造合金的室温力学性能，其中PM表示永久模铸造，SCC表示半连续铸造，T6表示固溶加时效处理。表中合金的稀土元素质量百分比含量总和一般为9-20，本发明合金中的稀土元素Gd、Y质量百分比含量总和为7.5 0.2，稀土元素相比于表中含量明显减少。
Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的具体制备方法：
1. 使用纯Mg锭和质量百分比成分分别为Mg-84Gd、Mg-25Y、Mg-30Zr的中间合金作为原料，采用中频电磁感应真空熔炼炉熔炼，永久模铸造方式，制备出Mg-Gd-Y-Zr铸造合金锭；
2. 测试实际合金成分并与名义成分进行比较，控制实验误差；
3. 利用DSC测试合金的相变点，并结合金相组织分析，确定合金的固溶温度和时间，其中固溶温度一般比相变温度低10-20℃；
4. 根据3中的结果对Mg-Gd-Y-Zr合金进行固溶处理；
5. 将固溶处理后的Mg-Gd-Y-Zr合金置于油浴炉中进行时效处理，时效温度为200℃和225℃，时效处理时间为0、1、2、4、8、16、32、64、128和256小时，得到合金在200℃和225℃下的两条时效硬化曲线，确定峰时效的时间；
6. 使用5中确定的峰时效处理工艺处理拉伸样品，进行拉伸性能测试，从而得到合金力学性能数据。

Claims (3)

1.一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金，其特征是：所述合金包含四种合金化元素，其质量百分比含量分别为：Gd元素为5.90.1，Y元素为1.6 0.1，Zr元素为0.4 0.1，其余为Mg元素。
2.根据权利要求1所述的一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的制备方法，其特征是：具体制备方法的步骤是：
（a）使用纯Mg锭和质量百分比成分分别为Mg-84Gd、Mg-25Y、Mg-30Zr的中间合金作为原料，采用中频电磁感应真空熔炼炉熔炼，永久模铸造方式，制备出Mg-Gd-Y-Zr铸造合金锭；
（b）测试实际合金成分并与名义成分进行比较，控制实验误差；
（c）利用DSC测试合金的相变点，并结合金相组织分析，确定合金的固溶温度和时间，其中固溶温度比相变温度低10-20℃；
（d）根据（c）中的结果，在520-530℃温度下对Mg-Gd-Y-Zr合金固溶处理6小时；
（e）将固溶处理后的Mg-Gd-Y-Zr合金置于油浴炉中进行时效处理，时效温度为和225℃，时效处理时间为64小时；
（f）对热处理之后的Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的拉伸样品，进行拉伸性能测试，从而得到合金的力学性能数据。
3.根据权利要求2所述的一种源自溶质均匀模型的高强高塑性Mg-Gd-Y-Zr铸造合金的制备方法，其特征是：所述合金的抗拉强度为305MPa，屈服强度为186 MPa，延伸率为9.0%，弹性模量为49.1 GPa。
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