CN109628813A - 一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，合金含一种或多种稀土元素，并且至少有一种稀土元素的质量百分数是其在镁基体中固溶极限的40％至95％，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℃时效2～72h、水淬，加热板材至蠕变温度180～330℃，保温5～40min后，所得含无析出带的晶粒数量百分数≥70％。相比于含低密度无析出带的稀土镁合金，等同服役条件下含高密度无析出带的稀土镁合金蠕变应变量明显减少，稳态蠕变速率明显下降，蠕变寿命明显提升，中高温抗蠕变性能得到显著改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，具体涉及的是一种通过改变稀土元素含量和时效条件来调控出高密度无析出带、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
稀土镁合金由于具有密度小、比强度高、电磁屏蔽优良和资源丰富等特性，在国防军工、航空航天和交通运输行业展现出良好的应用前景。近年来，虽然稀土镁合金的室温强韧化不断提升，但是其中高温抗蠕变性能差的问题尚未得到根本解决，这使得稀土镁合金在代钢代铝进程上受阻，难以达到大规模产业化应用的预期效果。研究表明，稀土镁合金在中高温蠕变时，一部分晶界的单侧或双侧会发生析出相回溶，导致沿晶界的带状区域内没有任何析出相，这些带状区域被称作无析出带。通常，稀土镁合金无析出带的密度较低、不均匀地分布于合金内部，成为“强度弱区”，极易引起局部应力集中，这是稀土镁合金中高温服役时过早失效的最主要原因，并已在Mg-Er-Zn、Mg-Nd-Zn-Zr、Mg-Y-Nd-Zn-Zr、Mg-Gd-Y-Zr和Mg-Ce-Y-Zn-Zr等多个合金系列中发现蠕变断口恰巧位于无析出带的位置。
遗憾的是，目前通过添加大量贵金属元素和稀土元素(总质量百分数甚至超过25％)来增加固溶强化和时效强化的方法仍不能明显改善抗蠕变性能，更无法有效避免无析出带的出现，投入的成本高而收效甚微。低密度无析出带损害中高温抗蠕变性能，已成为制约稀土镁合金在中高温环境下规模化应用的瓶颈，也是航空航天和交通运输等领域亟待解决的关键技术问题。因此，需要一种操作简单、成本低、效率高、能稳定改善中高温抗蠕变性能的微观结构调控方法来推广稀土镁合金的服役应用范围和安全可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能将有害的低密度无析出带转化成有益的高密度无析出带、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，本发明一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，包括：
稀土镁合金含一种或多种稀土元素，并且至少有一种稀土元素的质量百分数是其在镁基体中固溶极限的40％至95％；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℃时效2～72h，水淬；加热板材至蠕变温度180～330℃，保温5～40min后，所得含无析出带的晶粒数量百分数≥70％，开始蠕变测试。
本发明一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述稀土元素为钇、镧、铈、钕、钆、铒中的一种或一种以上的混合物，并且至少有一种稀土元素的质量百分数是其在镁基体中固溶极限的50％至95％。
本发明一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述时效温度为170～230℃，时效时间为2～50h。
本发明一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述蠕变温度为200～300℃，保温时间为10～30min，所得含无析出带的晶粒数量百分数≥75％。
本发明一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，所述的时效温度比蠕变温度低30～70℃。
本发明一种利用高密度无析出带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或Mg-RE-Zn-Zr系合金。
本发明提供的一种利用高密度无析出带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.本发明将无需加重稀土元素的添加，而着重于对微观结构的调控，适用范围广泛，利于环境保护；简单地改变稀土含量和时效条件即可调控出高密度无析出带来改善中高温抗蠕变性能，设备要求简单，操作方便，生产成本低、效率高。
2.低密度无析出带是现有稀土镁合金无法避免和消除的，导致合金在中高温服役时于晶界处形成应力集中，提前失效，严重损害了稀土镁合金的中高温使用范围；而本发明利用稀土原子的高效扩散所调控出的高密度无析出带可以释放晶界处的局部应力集中，促进应力分布均匀，显著改善稀土镁合金的抗蠕变性能。
3.通过高密度无析出带促成稀土镁合金内部应力分布均匀，可以有效减小位错运动规模，提升合金的热稳定性，推迟蠕变第三阶段，延长中高温长期服役寿命，扩大中高温承载能力。
4.本发明无需改变铸造和加工工艺，通过改变稀土含量和时效工艺即可加速稀土原子扩散，将原本有害且无法有效避免的低密度无析出带转化成对抗蠕变性能有利的高密度无析出带，化害为利、化繁为简，能够有效突破目前稀土镁合金抗蠕变性能改善效果差的技术瓶颈。
5.通过调控出高密度无析出带，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，本发明化害为利，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-6Y-2Nd-0.4Zr合金保温后的扫描组织图：(a)为高密度无析出带的试样扫描组织图，(b)为低密度无析出带的试样扫描组织图；
图2为本发明实施例1中Mg-6Y-2Nd-0.4Zr合金在280℃、50MPa下的拉伸蠕变曲线图，其中两根曲线分别对应高密度无析出带和低密度无析出带的试样；
图3为本发明实施例2中Mg-13Gd-3Y-0.1Zn-0.2Zr合金保温后的扫描组织图：(a)为高密度无析出带的试样扫描组织图，(b)为低密度无析出带的试样扫描组织图；
图4为本发明实施例2中Mg-13Gd-3Y-0.1Zn-0.2Zr合金在250℃、80MPa下的拉伸蠕变曲线图，其中两根曲线分别对应高密度无析出带和低密度无析出带的试样；
图5(a)为本发明实施例3中Mg-14Gd-0.3Zn合金保温后的高密度无析出带试样扫描组织图；
图5(b)为本发明实施例3中Mg-8Gd-8Er-4Y-0.3Zn合金保温后的低密度无析出带试样扫描组织图；
图6为本发明实施例3中Mg-14Gd-0.3Zn和Mg-8Gd-8Er-4Y-0.3Zn合金的压缩蠕变曲线图；
图7为本发明实施例4中Mg-1.5Ce-2Nd-0.5Zr合金保温后的扫描组织图：(a)为高密度无析出带的试样扫描组织图，(b)为低密度无析出带的试样扫描组织图；
图8为本发明实施例4中Mg-1.5Ce-2Nd-0.5Zr合金的拉伸蠕变曲线图；
图9为本发明实施例5中Mg-14Er-4Y-2Nd-0.2Zr合金保温后的组织扫描图：(a)为时效0h的试样扫描组织图，含无析出带的晶粒数量百分数为10％，(b)为时效48h的试样扫描组织图，含无析出带的晶粒数量百分数为80％，(c)为时效96h的试样扫描组织图，含无析出带的晶粒数量百分数为30％，；
图10为本发明实施例6中Mg-1.5La-0.1Zn-0.4Zr合金的应力分布图：(a)为高密度无析出带的试样应力分布图，(b)为低密度无析出带的试样应力分布图。
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Mg-6Y-2Nd-0.4Zr合金，Y元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的52％。经固溶后，其平均晶粒尺寸约为100μm。对该合金的一个试样在230℃下进行20h的时效处理、水淬。作为对比，另一个试样不进行时效处理。随后，将两个试样加热至蠕变温度280℃，保温20min。
保温后的试样组织如图1所示，其中，图1(a)为时效试样在保温后的组织，90％以上的晶粒在晶界处含无析出带；图1(b)为未时效试样在保温后的组织，无析出带不均匀地分布在部分晶粒中，含无析出带的晶粒数量百分数不足20％。
在280℃、50MPa下对两种试样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，含低密度无析出带的试样蠕变40h即发生断裂，而含高密度无析出带的试样在承载100h后仍未发生断裂，高密度无析出带显著提升了该稀土镁合金的蠕变寿命，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Mg-13Gd-3Y-0.1Zn-0.2Zr合金，Gd元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的57％。经固溶后，其平均晶粒尺寸约为100μm。对该合金在220℃下进行20h的时效处理、水淬，再加热至蠕变温度250℃，并对该合金的一个试样保温20min、另一个试样保温50min。
保温后的试样组织如图3所示，其中，图3(a)为保温20min试样的组织，90％以上的晶粒含无析出带，图3(b)为保温50min试样的组织，仅10％的晶粒含无析出带，且无析出带分布不均匀。
在250℃、80MPa下对两种试样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，含低密度无析出带的试样蠕变20h即发生断裂，而含高密度无析出带的试样在承载100h后仍未发生断裂，高密度无析出带显著提高了该稀土镁合金的拉伸蠕变寿命，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Mg-14Gd-0.3Zn合金和热轧态Mg-8Gd-8Er-4Y-0.3Zn合金。其中，前者Gd元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的62％，而后者的稀土元素质量百分数均在固溶极限的40％以下。经固溶后，两种合金的平均晶粒尺寸都约为100μm。对两种合金在220℃下进行24h的时效处理、水淬，再将二者加热至蠕变温度250℃，保温30min。
保温后的试样组织如图5所示，其中，图5(a)为Mg-14Gd-0.3Zn试样的组织，85％以上的晶粒含无析出带，图5(b)为Mg-10Gd-10Er-5Y-0.3Zn试样的组织，仅60％的晶粒含无析出带，且无析出带分布不均匀。
在250℃、80MPa下对两种试样进行压缩蠕变性能测试，结果如图6所示，对比二者的蠕变速率-时间曲线可知，在蠕变50h后，高密度无析出带明显降低了稀土镁合金的压缩蠕变速率，提升了其抗蠕变性能。
实施例4
本实施例利用原材料为热轧态Mg-1.5Ce-2Nd-0.5Zr合金，Ce元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的57％，Nd元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的56％。经固溶后，其平均晶粒尺寸约为100μm。对该合金的一个试样在200℃下进行10h的时效处理、水淬。作为对比，另一个试样不进行时效处理。随后，将两个试样加热至蠕变温度230℃，保温15min。
保温后的试样组织如图7所示，其中，图7(a)为时效试样在保温后的组织，90％以上的晶粒在晶界处含无析出带；图7(b)为未时效试样在保温后的组织，无析出带不均匀地分布在部分晶粒中，含无析出带的晶粒数量百分数不足50％。
在230℃、90MPa下对两种试样进行拉伸蠕变性能测试，结果如图8所示，对比二者的蠕变应变-时间曲线可知，蠕变35h后，含低密度无析出带的试样蠕变应变量已经达到13％，而含高密度无析出带的试样蠕变应变量仅为4％。可见，高密度无析出带显著减少了该稀土镁合金的蠕变应变量，改善了其中高温抗蠕变性能。
实施例5
本实施例利用原材料为热轧态Mg-14Er-4Y-2Nd-0.2Zr合金，Er元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的54％，Nd元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的56％。经固溶后，其平均晶粒尺寸约为100μm。对该合金的三个试样在170℃下分别进行0h、48h和96h的时效处理、水淬。随后，将三个试样加热至蠕变温度220℃，保温20min。
保温后的试样组织如图9所示，其中，图9(a)为时效0h的试样在保温后的组织，含无析出带的晶粒数量百分数不足10％，图9(b)为时效48h的试样在保温后的组织，80％以上的晶粒在晶界处含无析出带，图9(c)为时效96h的试样在保温后的组织，大多数析出相已经回溶，无析出带数量急剧减少，含无析出带的晶粒数量百分数不足30％。
在220℃、100MPa下对三种试样进行压缩蠕变性能测试，结果如表1所示，对比三者的稳态蠕变速率可知，含低密度无析出带的两个试样蠕变速率明显高于含高密度无析出带的试样。可见，高密度无析出带显著降低了该稀土镁合金的蠕变速率，，改善了其中高温抗蠕变性能。
表1
实施例6
本实施例利用原材料为热轧态Mg-1.5La-0.1Zn-0.4Zr合金，La元素的质量百分数为其在Mg基体中固溶极限的62％。经固溶后，其平均晶粒尺寸约为100μm。对该合金在210℃下进行48h的时效处理、水淬，再加热至蠕变温度250℃。并对该合金的一个试样保温30min、另一个试样保温60min。
在250℃、100MPa下对两种试样进行拉伸蠕变性能测试，结果如表2所示，对比二者的稳态蠕变速率可知，保温30min试样的蠕变速率明显低于保温60min试样的蠕变速率。
表2
利用电子背散射衍射技术分析两种试样蠕变40h后的应力分布图像，结果如图10所示，其中图10(a)为保温30min试样的应力分布图像，90％以上的晶粒含无析出带，且应力分布均匀，图10(b)为保温60min试样的应力分布图像，仅30％的晶粒含无析出带，且应力分布不均匀。可见，高密度无析出带显著改善了该稀土镁合金的应力分布状态，提升了其抗蠕变性能。
Claims (6)
1.一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：通过改变稀土元素含量和时效条件，调控出高密度的无析出带，释放晶界处的应力集中，使晶界处应力分布均匀，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.稀土镁合金含一种或多种稀土元素，并且至少有一种稀土元素的质量百分数是其在镁基体中固溶极限的40％至95％；
B.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℃时效2～72h、水淬；
C.加热板材至蠕变温度180～330℃，保温5～40min后，所得含无析出带的晶粒数量百分数≥70％。
2.根据权利要求1所述的一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：A步骤所述的稀土元素为钇、镧、铈、钕、钆、铒中的一种或一种以上的混合物，并且至少有一种稀土元素的质量百分数是其在镁基体中固溶极限的50％至95％。
3.根据权利要求1所述的一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：B步骤所述的时效温度为170～230℃，时效时间为2～50h。
4.根据权利要求1所述的一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：C步骤所述的蠕变温度为200～300℃，保温时间为10～30min，所得含无析出带的晶粒数量百分数≥75％。
5.根据权利要求1所述的一种利用高密度无析出带改善稀土镁合金中高温抗蠕变性能的方法，其特征在于：B步骤所述的时效温度比C步骤所述的蠕变温度低30～70℃。
6.根据权利要求1所述的一种利用高密度无析出带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或Mg-RE-Zn-Zr系合金。
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