CN109554646A - 一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，通过半连续铸造方法制备稀土镁合金锭坯，热轧成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在150～260℃进行2～120h的一次时效处理，时效后水淬；将一次时效后的板材加热至压缩温度380～550℃，均温后进行真应变为0.5～1.5的压缩变形，变形后水淬；将热压缩后的材料在170～300℃进行0.5～5h的二次时效处理，无析出带宽度减小30％以上。本发明可有效减小无析出带宽度，降低晶界处的应力集中，等同服役条件下能够明显减少稀土镁合金蠕变应变量、降低稳态蠕变速率、提升蠕变寿命，显著改善中高温抗蠕变性能。

Description

一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，具体涉及的是一种利用一次时效处理、热压缩变形和二次时效处理的形变热处理来减小无析出带宽度、进而改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法。属有色金属材料失效与保护技术领域。

背景技术

稀土镁合金不仅具有普通镁合金密度低、比强度比刚度高，减震性能、抗电磁干扰和辐射能力好的特性，而且Gd、Y、Er等稀土元素在镁基体中有较大的固溶度，固溶强化和时效析出强化效果明显，表现出较好的耐高温性能，在国防军工、航天航空领域展现出优良的应用前景。研究表明，稀土镁合金在中高温蠕变的过程中，部分晶界的单侧或者双侧会出现没有任何析出相析出的沿晶界的带状区域，这种带状区域被称作无析出带。通常，稀土镁合金蠕变过程中形成的无析出带在垂直于拉伸应力方向上较为明显，且随蠕变进行而逐渐加宽，成为“强度弱区”，晶内和晶界附近强度存在差距，容易在晶界上引起应力集中造成破坏，这是稀土镁合金中高温服役时过早失效的主要原因。目前，已在Mg-Gd-Y-Nd-Zr、 Mg-Y-Nd-Zn-Zr、Mg-Nd-Zn-Zr、Mg-Gd-Nd-Zr和Mg-Ce-Y-Zn-Zr等多个稀土镁合金系列中发现蠕变断口恰好位于有较宽无析出带的晶界位置。

现阶段，改善稀土镁合金抗蠕变性能的方法大多数是通过添加大量的贵金属元素和稀土元素，但收效甚微，不但不能有效避免晶界无析出带的产生，反而增加了成本。较宽无析出带的形成损害合金中高温抗蠕变性能，已经成为了制约稀土镁合金在中高温下长期服役的瓶颈，同时也是推动航天航空等领域发展亟待解决的关键技术问题。因此，需要一种工艺简单、操作方便、成本低、效率高、能减小无析出带危害、有效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，来推进稀土镁合金的服役应用，并提高安全可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效减小无析出带的危害、并且工艺设计合理、设备要求简单、操作方便、成本低、效率高、可稳定改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法。

为了达到上述目的，本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，包括：半连续铸造方法制备稀土镁合金锭坯，热轧成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在150～260℃进行2～120h的一次时效处理，时效后水淬；将一次时效后的板材加热至压缩温度380～550℃，均温后进行真应变为 0.5～1.5的压缩变形，变形后水淬；将热压缩后的材料在170～300℃进行0.5～5h 的二次时效处理，无析出带宽度减小30％以上；二次时效后，不进行淬火，直接在同一温度进行蠕变测试。

本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述一次时效温度为150～220℃，一次时效时间为3～90h。

本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述热压缩温度为400～550℃，真应变为0.8～1.5。

本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述二次时效温度为200～300℃，二次时效时间为0.5～3h，无析出带宽度减小40％以上。

本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述的二次时效温度比一次时效温度高20～60℃。

本发明一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述稀土镁合金选自Mg-RE-Zn、Mg-RE-Zr和Mg-RE-Zn-Zr系合金。

本发明提供的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，有以下几大优点：

1.本发明无需重稀土元素的添加，而着重于对微观结构的调控，适用范围广泛，利于环境保护；一次时效、热压缩和二次时效的工艺操作方便，设备要求简单，生产成本低、效率高。

2.本发明的二次时效工艺可以有效减小无析出带宽度，降低稀土镁合金内部“强度弱区”的体积分数，减弱晶界处的应力集中，促进应力分布均匀，显著改善稀土镁合金的抗蠕变性能，扩大中高温环境下的承载能力。

3.本发明通过减小无析出带宽度，可以有效减小晶格扭曲程度，降低原子扩散速率，提升稀土镁合金的热稳定性，推迟蠕变第三阶段，延长中高温长期服役寿命。

4.本发明通过减小无析出带宽度，可以有效抑制析出相回溶，保障稀土镁合金的固溶强化和析出强化效果，能够有效突破目前稀土元素对镁合金抗蠕变性能改善不理想的技术瓶颈。

5.通过减小无析出带宽度，稀土镁合金在达到蠕变稳态阶段后的应变量可减小至少1/3，稳态蠕变速率减小1/2以上，抗蠕变性能改善效果显著。

综上所述，本发明工艺合理，流程简单，操作方便，成本低，效率高，对稀土镁合金中高温抗蠕变性能改善效果显著、稳定，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中Mg-3Nd-0.5Zn-0.5Zr合金二次时效后的扫描组织图：(a)为经过热压缩后二次时效的试样扫描组织图，(b)为没有热压缩直接二次时效的试样扫描组织图；

图2为本发明实施例1中Mg-3Nd-0.5Zn-0.5Zr合金在250℃、60MPa下的单向拉伸蠕变曲线，其中两根曲线分别对应热压缩后二次时效和无热压缩二次时效的试样；

图3为本发明实施例2中Mg-8Y-2Nd-0.2Zn合金二次时效后的扫描组织图： (a)为经过热压缩后二次时效处理的试样扫描组织图，(b)为热压缩后长时间时效退火处理的试样扫描组织图；

图4为本发明实施例2中Mg-8Y-2Nd-0.2Zn合金在250℃、80MPa下的拉伸蠕变曲线，其中两条曲线分别对应二次时效和长时间退火的试样；

图5为本发明实施例3中Mg-8Gd-3Y-0.2Zr合金二次时效后的扫描组织图： (a)为经过热压缩后二次时效的试样扫描组织图，(b)为热压缩后长时间时效退火的试样扫描组织图；

图6为本发明实施例3中Mg-8Gd-3Y-0.2Zr合金在230℃、100MPa下的拉伸蠕变曲线，其中两条曲线分别对应二次时效和长时间退火的试样；

图7为本发明实施例4中Mg-2Ce-4Y-1Nd-0.3Zr合金热压缩之后二次时效的扫描组织图：(a)为正常二次时效的试样扫描组织图，(b)为长时间退火的试样扫描组织图；

图8为本发明实施例4中Mg-2Ce-4Y-1Nd-0.3Zr合金在270℃、60MPa下的拉伸蠕变速率曲线，其中两条曲线分别对应二次时效和长时间退火的试样；

图9为本发明实施例5中Mg-2La-0.5Zn-0.2Zr合金二次时效之后的扫描组织图：(a)为经过热压缩后二次时效的试样扫描组织图，(b)为没有热压缩直接二次时效的试样扫描组织图；

图10为本发明实施例5中Mg-2La-0.5Zn-0.2Zr合金在200℃、100MPa下的拉伸蠕变曲线，其中两条曲线分别对应热压缩后二次时效和无热压缩后二次时效的试样；

图11为本发明实施例6中Mg-14Er-2Nd-0.2Zn-0.3Zr合金热压缩后二次时效的扫描组织图：(a)为正常二次时效的试样扫描组织图，(b)为长时间退火的试样扫描组织图；

图12为发明实施例6中Mg-14Er-2Nd-0.2Zn-0.3Zr合金在250℃、120MPa 下的压缩蠕变曲线，其中两条曲线分别对应二次时效处理和长时间退火的试样。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-3Nd-0.5Zn-0.5Zr合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为90～110μm，而后在210℃温度下进行5h的一次时效、水淬。将一个一次时效后的试样在热压缩温度500℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩真应变为1.2，水淬。作为对比，另一个一次时效后的试样不进行热压缩。随后，将两个试样加热至250℃，保温1h进行二次时效。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图1所示，其中，图1(a)为经过热压缩后再二次时效的试样组织，大多数晶界两侧都有狭窄的无析出带形成；图1(b) 为没有经过热压缩直接二次时效的试样组织，几乎所有晶界两侧都演化出尺寸较宽的无析出带，对比图1(a)和(b)，经过热压缩的试样二次时效后形成的无析出带宽度与其所属单个晶粒宽度的比值较无热压缩直接二次时效试样的无析出带宽度与所属单个晶粒宽度的比值要小，热压缩试样的无析出带相对宽度较窄。

二次时效后不淬火，直接将两个试样在250℃、60MPa下进行拉伸蠕变性能测试，结果如图2所示。对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，没有经过热压缩直接二次时效的试样在蠕变至100h时已经进入蠕变第三阶段末期，接近断裂，蠕变应变量已达8.5％，稳态蠕变速率为1.30×10^-7s^-1，而经过热压缩后二次时效的试样在蠕变至100h时仍然处于蠕变第二阶段，应变量仅有2.3％，稳态蠕变速率为2.96×10^-8s^-1。热压缩之后二次时效形成相对宽度较窄的无析出带，明显提升了该合金的蠕变寿命，改善了其抗蠕变性能。

实施例2

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-8Y-2Nd-0.2Zn合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为90～110μm，而后在220℃温度下进行16h的一次时效、水淬。将一次时效后的试样在热压缩温度520℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩应变速率为5.0×10^-1s^-1，真应变为1.5，结束后水淬。热压缩之后，将一个试样于250℃温度下二次时效1.5h，属于二次时效制度；另一个试样于250℃下时效退火5h，属于长时间时效退火处理，以作对比。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图3所示，其中，图3(a)为二次时效 1.5h的试样组织，组织中几乎每一个晶界两侧都有狭长的无析出带形成；图3(b) 为时效退火5h的试样组织，组织中晶界两侧都有演化出尺寸较为明显的无析出带。对比图3(a)和(b)里的高放大倍数插图，二次时效形成的无析出带宽度比长时间退火形成的无析出带宽度要窄，前者约为后者的50％。

时效后的两个试样不冷却直接在250℃、80MPa下对其进行拉伸蠕变性能测试，结果如图4所示。对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，长时间时效退火的试样蠕变至88h即发生断裂，总蠕变应变为16.9％，稳态蠕变速率为1.03×10^-7 s^-1；而二次时效的试样蠕变至100h时仍未发生断裂，此时蠕变应变量仅为3.9％，稳态蠕变速率为4.06×10^-8s^-1。二次时效处理减小了无析出带宽度，显著提高了该合金的蠕变寿命，有效改善了其抗蠕变性能。

实施例3

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-8Gd-3Y-0.2Zr合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为90～110μm，而后在200℃温度下进行24h的一次时效、水淬。将一次时效后的试样在热压缩温度480℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩应变速率为2.0×10^-1s^-1，真应变为1.3，结束后水淬。热压缩之后，将一个试样于230℃温度下时效2h，属于二次时效处理；另一个试样于230℃下时效6h，属于长时间退火，以作对比。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图5所示，其中，图5(a)为二次时效2 h的试样组织，组织中晶内有针状的第二相分布，晶界两侧有较窄的无析出带形成；图5(b)为时效6h的试样组织，组织中晶界两侧都有演化出较宽的无析出带。对比图5(a)和(b)里的高放大倍数插图，正常二次时效形成的无析出带宽度比长时间退火的无析出带宽度要窄，前者约为后者的40％。

时效后的两个试样不冷却直接在230℃、100MPa下对其进行拉伸蠕变性能测试，结果如图6所示。对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，6h长时间时效退火的试样蠕变至93h发生断裂，总蠕变应变为10.1％，稳态蠕变速率为1.12×10^-7 s^-1；而二次时效2h的试样蠕变至100h时仍未发生断裂，此时蠕变应变量为 4.5％，稳态蠕变速率为6.94×10^-8s^-1。二次时效演化出的无析出带较窄，合金的蠕变寿命得到一定程度的提高，抗蠕变性能得到有效改善。

实施例4

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-2Ce-4Y-1Nd-0.3Zr合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为100～120μm，而后在210℃温度下进行10h的一次时效、水淬。将一次时效后的试样在热压缩温度450℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩应变速率为3.0×10^-1s^-1，真应变为1.0，结束后水淬。热压缩之后，将一个试样于 270℃温度下时效1h，属于二次时效处理；另一个试样于270℃下时效8h，属于长时间退火，以作对比。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图7所示，其中，图7(a)为二次时效1 h的试样组织，晶界两侧的无析出带衬度不明显、宽度较窄；图7(b)为时效8h 的试样组织，组织中热压缩动态再结晶产生等轴细晶的晶界两侧都有演化出较宽的无析出带、黑白衬度较为明显，二次时效的无析出带宽度约为长时间退火的 30％。

时效后的两个试样不冷却直接在270℃、60MPa下对其进行拉伸蠕变性能测试，计算各自蠕变速率随时间变化，结果如图8所示。对比二者的蠕变速率- 时间曲线可知，8h长时间时效退火的试样蠕变至58h左右蠕变速率急剧增加，最终在60h前发生断裂，稳态蠕变速率为4.06×10^-7s^-1；而二次时效1h的试样蠕变至100h时仍未发生断裂，仍然处于蠕变速率缓慢增加的第三阶段，稳态蠕变速率为2.06×10^-7s^-1。二次时效演化出的无析出带较窄，合金的稳态蠕变速率明显降低，蠕变寿命得到提升，抗蠕变性能得到有效改善。

实施例5

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-2La-0.5Zn-0.2Zr合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为90～110μm，而后在170℃温度下进行15h的一次时效、水淬。将一个一次时效后的试样在热压缩温度530℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩真应变为1.5，水淬。作为对比，另一个一次时效后的试样不进行热压缩。随后，将两个试样加热至200℃，保温0.5h进行二次时效。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图9所示，其中，图9(a)为经过热压缩后二次时效的试样组织，大多数晶界两侧形成的无析出带较狭窄；图9(b)为没有经过热压缩直接二次时效的试样组织，几乎所有晶界两侧都演化出尺寸较宽的无析出带，对比图9(a)和(b)中的高放大倍数插图，经过热压缩的试样二次时效后形成的无析出带宽度较窄，与所属晶粒宽度尺寸相比占比很小，而无热压缩直接二次时效试样的无析出带宽度与所属单个晶粒宽度相比，占比较大，热压缩试样的无析出带相对宽度较窄。

二次时效后不淬火，直接将两个试样在200℃、100MPa下进行拉伸蠕变性能测试，结果如图10所示。对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，没有经过热压缩直接二次时效的试样在蠕变至78h时已经断裂，蠕变应变量高达16.1％，稳态蠕变速率为3.63×10^-7s^-1，而经过热压缩后二次时效的试样在蠕变至100h时仍然处于蠕变第二阶段，应变量仅有3.6％，稳态蠕变速率为8.85×10^-8s^-1。热压缩之后二次时效形成相对宽度较窄的无析出带，明显提升了该合金的蠕变寿命，改善了其抗蠕变性能。

实施例6

本实施例利用原材料为热轧态的Mg-14Er-2Nd-0.2Zn-0.3Zr合金，经过固溶处理后，晶粒尺寸为80～100μm，而后在220℃温度下进行16h的一次时效、水淬。将一次时效后的试样在热压缩温度520℃下保温至均温然后进行热压缩，压缩应变速率为3.0×10^-1s^-1，真应变为0.8，结束后水淬。热压缩之后，将一个试样于250℃温度下时效1h，属于二次时效处理；另一个试样于250℃下时效7 h，属于长时间退火，以作对比。

二次时效后的试样扫描检测的组织如图11所示，其中，图11(a)为二次时效 1h的试样组织，组织中晶内有密集分布且互相成一定位向的析出相，晶界上有较窄的无析出带形成；图11(b)为时效7h的试样组织，组织中晶界两侧都有演化出较宽的无析出带。对比图11(a)和(b)里白色虚线框中的组织，正常二次时效形成的无析出带宽度比长时间退火的无析出带宽度要窄，前者约为后者的50％。时效后的两个试样不冷却直接在250℃、120MPa下对其进行压缩蠕变性能测试，结果如图12所示。对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，7h长时间时效退火的试样蠕变应变随时间延长增加地很快，100h时蠕变应变为15.3％，稳态蠕变速率为1.96×10^-7s^-1；而二次时效1h的试样蠕变应变随时间延长增加地很慢，长时间处于蠕变第二阶段，100h时蠕变应变量仅为2.2％，稳态蠕变速率为3.14× 10^-8s^-1。二次时效演化出的狭窄无析出带，合金在高温下蠕变缓慢，使得其蠕变寿命得到一定程度的提高，抗蠕变性能得到有效改善。

Claims (6)

1.一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：通过一次时效、热压缩和二次时效的形变热处理工艺，减小无析出带宽度、降低晶界处应力集中，从而改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能，具体包括以下步骤：

A.半连续铸造方法制备稀土镁合金锭坯，热轧成2～20mm厚的板材并经固溶处理后，在150～260℃进行2～120h的一次时效处理，时效后水淬；

B.将一次时效后的板材加热至压缩温度380～550℃，均温后进行真应变为0.5～1.5的压缩变形，变形后水淬；

C.将热压缩后的材料在170～300℃进行0.5～5h的二次时效处理，无析出带宽度减小30％以上。

2.根据权利要求1所述的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：A步骤所述的一次时效温度为150～220℃，一次时效时间为3～90h。

3.根据权利要求1所述的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：B步骤所述的热压缩温度为400～550℃，真应变为0.8～1.5。

4.根据权利要求1所述的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：C步骤所述的二次时效温度为200～300℃，二次时效时间为0.5～3h，无析出带宽度减小40％以上。

5.根据权利要求1所述的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：C步骤所述的二次时效温度比A步骤所述的一次时效温度高20～60℃。

6.根据权利要求1所述的一种利用二次时效改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：A步骤所述的稀土镁合金选自Mg-RE-Zn、Mg-RE-Zr和Mg-RE-Zn-Zr系合金。