CN108950338B - 一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法，属于镁基合金材料技术领域。本发明的抗蠕变稀土镁合金由以下质量百分比的组分组成：Ho 5.5～7.5％，Sm 1.5～4.5％，Sr 0.6～1％，Zr 0.35～0.55％，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明的抗蠕变稀土镁合金，通过优化合金元素配比、固溶和时效工艺调控，显著强化了镁合金基体和晶界，提高了合金在高温下的抗蠕变性能。

Description

一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗蠕变稀土镁合金及其制备方法，属于镁基合金材料技术领域。
背景技术
镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，有着“21世纪绿色工程结构材料”的美誉，在汽车发动机、航空航天、国防军工中有着广阔的应用前景。但是镁合金的耐热性能尤其是高温抗蠕变性能差，严重限制了镁合金作为高温环境承载构件的使用。因此开发一种具有优异高温抗蠕变性能的镁合金，对于镁合金的广泛应用具有重要意义。
稀土元素由于其在镁基体中的固溶度大，固溶强化、第二相强化和弥散强化效果显著，被认为是改善镁合金性能最有效的合金化元素。申请公布号为CN108220730A的中国专利申请中公开了一种稀土钐强化的镁合金及其制备方法。该稀土钐强化的镁合金由以下质量百分比的组分组成：Y5.0％～6.0％，Sm 2.5％～3.5％，Zr 0.4％～0.8％，余量为Mg。钇和钐在镁合金中可以生成Mg24(Y，Sm)5析出相和Mg41(Y，Sm)5析出相，二者使得镁合金具有较好的固熔强化和时效强化效果，增强镁合金的机械性能。但是其耐热性能尤其是高温抗蠕变性能仍不能满足实际需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗蠕变稀土镁合金，该稀土镁合金的抗蠕变性能稳定。
本发明的目的还在于提供一种上述抗蠕变稀土镁合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Ho 5.5～7.5％，Sm 1.5～4.5％，Sr 0.6～1％，Zr 0.35～0.55％，其余为Mg和不可避免的杂质。
由于Ho与Sm为稀土元素，价格较贵。为降低成本，本发明的抗蠕变稀土镁合金中Ho和Sm的总质量含量不超过10％。
上述抗蠕变稀土镁合金中的不可避免的杂质的质量含量不超过0.03％。
镁合金的高温蠕变宏观上表现为缓慢的塑性变形过程，微观上则是高温颗粒相与晶界、位错以及镁基体在热力耦合场中协调变形的过程。高温颗粒相热稳定温度越高、分布越均匀、越细小，对合金高温蠕变过程中的晶界和位错滑移的阻碍和钉扎作用就越强。因此要求添加的合金化元素具有较高的固溶度以及较小的原子半径。
本发明的抗蠕变稀土镁合金以稀土元素Ho和Sm作为主添加元素。Ho、Sm在镁中均具有较大的固溶度，尤其是Ho的最大固溶度可达28.08％，并且比其他常用稀土元素如Gd、Y的原子半径小。Ho和Sm溶入镁基体中提高了合金的均匀化程度和弹性模量，减慢扩散和自扩散过程，降低蠕变过程中位错的滑移速度，强化合金基体从而提高合金的高温抗蠕变性能。Ho和Sm在合金中可形成高熔点、热稳定性更高的MgxHo析出相(x＝24，2，1)以及MgxSmy析出相(x＝41，3，1；y＝5，1)，析出相均匀分布于镁基体和晶界处，使晶界和相界原子扩散渗透性减小，不但进一步强化了合金基体的高温抗蠕变性能，同时钉扎了晶界。
本发明的抗蠕变稀土镁合金还添加了Sr和Zr两种元素。碱土元素Sr可作为富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素，可有效的填充晶界处的晶格空位、改善晶界附近的组织形态，阻碍合金晶界的滑移，提高合金的高温抗蠕变性能。Zr可作为异质形核剂，降低合金熔体的润湿角和形核激活能，减少合金的热裂倾向，提高合金的高温抗蠕变性能。
一种上述抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将原料在保护气氛下熔炼制得镁合金熔液；
2)在保护气氛下将镁合金熔液进行浇铸至模具中得合金铸锭；
3)将合金铸锭进行固溶处理和时效处理，得抗蠕变镁合金。
步骤1)和步骤2)中所述保护气氛为体积比1：99的SF6和CO2的混合气氛。
步骤1)中所述镁合金熔液由纯Mg锭和含Ho、Sm、Sr和Zr的镁合金原料熔炼而成。本发明中含Ho、Sm、Sr和Zr的镁合金原料分别为Mg-Ho中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金。
上述镁合金熔液的熔炼在中频电磁感应炉中进行。
上述熔炼的温度为760～780℃。
待原料熔解后保温10～20min，使中间合金熔解完全。
步骤2)中镁合金熔液浇铸时温度为730～750℃。
步骤2)中浇铸时所用模具为预热至250～300℃的钢制模具。
步骤3)中所述固溶处理的温度为520～540℃，时间为6～10h。
步骤3)中所述时效处理的温度为230～250℃，时间为10～14h。
本发明的抗蠕变稀土镁合金，通过优化合金元素配比、固溶和时效工艺调控，显著强化了镁合金基体和晶界，提高了合金在高温下的抗蠕变性能。最佳配比合金在250℃/150MPa，120h的蠕变应变量仅为0.066％，稳态蠕变速率仅为8.62×10-11s-1；在275℃/150MPa，120h的蠕变应变量仅为0.098％，稳态蠕变速率仅为1.05×10-10s-1。
本发明的抗蠕变稀土镁合金，与常规稀土镁合金相比，具有密度更低、工艺简单、易于操作，更主要的是解决了常规合金虽短时间内的高温力学性能较好，但是长时间的抗蠕变性能较差的问题。本发明的抗蠕变稀土镁合金在高温下具有较好的抗蠕变性能，可在高温下作为承载构件，长时间稳定服役。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
以下实施例所涉及的纯Mg锭，Mg-Ho、Mg-Sm、Mg-Sr和Mg-Zr中间合金均为市售产品，其纯度均不低于99.95％。Mg-Ho中间合金中Ho的质量含量为25％，Mg-Sm中间合金中Sm的质量含量为25％，Mg-Sr中间合金中Sr的质量含量为25％，Mg-Zr中间合金中Zr的质量含量为25％。
实施例1
本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Ho 5.5％，Sm4.5％，Sr 0.6％，Zr 0.55％，余量为Mg和不可避免的杂质。其中Ho和Sm的添加总量为10％，杂质的质量含量为0.02％。
实施例2
本实施例为实施例1的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，将纯镁、Mg-Ho中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金放入中频电磁感应炉中熔炼，在760℃保温20min得镁合金熔液；
2)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，断电静置待镁合金熔液冷却至730℃，浇铸到预热至250℃的钢制模具中，得合金铸锭；
3)所得合金进行固溶处理和时效处理：固溶温度为520℃，时间为10h；时效处理温度为230℃，时间为14h，即得抗蠕变稀土镁合金。
实施例3
本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Ho 6.5％，Sm3.0％，Sr 0.8％，Zr 0.45％，余量为Mg和不可避免的杂质。其中Ho和Sm的添加总量为9.5％，杂质的质量含量为0.015％。
实施例4
本实施例为实施例3的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，将纯镁、Mg-Ho中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金放入中频电磁感应炉中熔炼，在770℃保温15min得镁合金熔液；
2)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，断电静置待镁合金熔液冷却至740℃，浇铸到预热至275℃的钢制模具中，得合金铸锭；
3)所得合金进行固溶处理和时效处理：固溶温度为530℃，时间为8h；时效处理温度为240℃，时间为12h，即得抗蠕变稀土镁合金。
实施例5
本实施例的抗蠕变稀土镁合金，由以下质量百分比的组分组成：Ho 7.5％，Sm1.5％，Sr 1％，Zr 0.35％，余量为Mg和不可避免的杂质。其中Ho和Sm的添加总量为9.0％，杂质的质量含量为0.03％。
实施例6
本实施例为实施例5的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，包括如下步骤：
1)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，将纯镁、Mg-Ho中间合金、Mg-Sm中间合金、Mg-Sr中间合金、Mg-Zr中间合金放入中频电磁感应炉中熔炼，在780℃保温10min得镁合金熔液；
2)在体积比为1：99的SF6和CO2的混合气体保护下，断电静置待镁合金熔液冷却至750℃，浇铸到预热至300℃的钢制模具中，得合金铸锭；
3)所得合金进行固溶处理和时效处理：固溶温度为540℃，时间为6h；时效处理温度为250℃，时间为10h，即得抗蠕变稀土镁合金。
试验例
对实施例1、3和5的抗蠕变稀土镁合金的高温抗蠕变性能进行测试，具体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》，将本发明的抗蠕变稀土镁合金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。高温抗蠕变性能测试结果如表1所示。
表1高温抗蠕变性能测试结果
Figure BDA0001776480310000051
由表1可知，本发明的抗蠕变稀土镁合金具有较好的高温抗蠕变性能。其中250℃/150Mpa条件下，120h的蠕变应变量低至0.066％，稳态蠕变速率低至8.62×10-11s-1；在275℃/150Mpa条件下，120h的蠕变应变量低至0.098％，稳态蠕变速率低至1.05×10-10s-1。

Claims (10)

1.一种抗蠕变稀土镁合金，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Ho 5.5～7.5％，Sm 1.5～4.5％，Sr 0.6～1％，Zr 0.35～0.55％，其余为Mg和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的抗蠕变稀土镁合金，其特征在于：所述Ho和Sm在镁合金中的总质量含量不超过10％。
3.根据权利要求1所述的抗蠕变稀土镁合金，其特征在于：所述不可避免的杂质在镁合金中的质量含量不超过0.03％。
4.一种如权利要求1所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将原料在保护气氛下熔炼制得镁合金熔液；
2)在保护气氛下将镁合金熔液进行浇铸至模具中得合金铸锭；
3)将合金铸锭进行固溶处理和时效处理，得抗蠕变稀土镁合金。
5.根据权利要求4所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中镁合金熔液由Mg锭和含Ho、Sm、Sr和Zr的镁合金原料熔炼而成。
6.根据权利要求5所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼的温度为760～780℃。
7.根据权利要求4所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中镁合金熔液浇铸时温度为730～750℃。
8.根据权利要求4所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中浇铸时模具先预热至250～300℃。
9.根据权利要求4所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述固溶处理的温度为520～540℃，时间为6～10h。
10.根据权利要求4所述的抗蠕变稀土镁合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述时效处理的温度为230～250℃，时间为10～14h。
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