CN109943738B

CN109943738B - 一种含铝高模量稀土镁合金及其制备方法

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Publication number: CN109943738B
Application number: CN201910403250.2A
Authority: CN
Inventors: 唐昌平; 吴凯; 刘文辉; 王雪兆; 张超; 徐孟君; 缪国栋; 梁吴颖; 龙中意; 李晓远; 杨月; 邓运来
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN109943738A

Abstract

本发明公开一种含铝高模量稀土镁合金及其制备方法。合金成分（质量分数）为：Gd 7.0～12.0%，Y 0.01～3.0%，Nd 0.01～1.2%，B 0.01～3.0%，Ti 0.01～1.0%，Al 0.5～1.5%；其中稀土元素Gd、Y、Nd的总含量≤15.0%；杂质元素Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.02%，Si≤0.05%，杂质总含量不超过0.1%，其余为Mg；制备方法包括合金熔铸和热处理两部分。采用本发明所制备合金铸造‑T6态的室温抗拉强度超过330MPa，弹性模量超过50GPa，断后伸长率不低于5.0%，综合性能明显优于一般的镁合金材料。

Description

一种含铝高模量稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含铝镁合金，特别涉及一种含铝高模量稀土镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金具有密度低、比强度高、阻尼减震性能好、电磁屏蔽性能好等优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但是，对常用镁合金而言，其弹性模量偏低，约为40-45GPa，导致构件刚度低。随着新一代导弹对打击精度的要求越来越严苛，对制造构件用材料的性能要求也越来越高。虽然通过添加高模量的增强相制备复合材料是提高合金弹性模量的常用手段，但添加的增强颗粒物与镁基体结合力往往较差，且切削加工后表面质量往往也较差，极大地限制了其应用范围。

发明内容

为了克服镁合金弹性模量低的技术问题，本发明提供一种含铝高模量稀土镁合金及其制备方法，该合金能够满足航空航天领域构件制造对高模量高强度镁合金材料的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种含铝高模量稀土镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd 7.0～12.0%，Y 0.01～3.0%，Nd 0.01～1.2%，B 0.01～3.0%，Ti 0.01～1.0%，Al 0.5～1.5%，其中稀土元素Gd、Y、Nd的总含量(质量分数)≤15.0%；杂质元素Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.02%，Si≤0.05%，杂质总含量不超过0.1%，余量为Mg。

上述稀土镁合金的制备方法，包括合金熔铸和热处理两部分，具体包括如下步骤：

(1) 合金熔铸；合金熔炼时，Mg元素以纯镁的形式加入，Al元素以纯铝的形式加入，Gd、Y、Nd元素分别以Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金的形式加入，B元素以KBF₄的形式加入，Ti元素以K₂TiF₆的形式加入，先将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd中间合金、KBF₄、K₂TiF₆在100~200℃条件下预热、烘干备用；将烘干的纯镁和纯铝放入坩埚中，升温至740~760℃进行熔化；待坩埚中原料熔化完毕后，加入KBF₄和K₂TiF₆，升温至830~860℃，保温20~30 min，以使Al元素与KBF₄和K₂TiF₆发生反应生成高模量TiB₂粒子，然后扒去反应产物，并调整温度至780~800℃，加入Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金，保温25~35 min后进行精炼，精炼完毕后进行静置；熔体静置后调整温度至720~750℃，并将熔体浇入钢模；合金成分满足上述质量百分比的要求，整个熔铸过程采用保护性气体进行保护，得到铸锭；

(2) 合金热处理；合金热处理包含固溶处理和时效处理两部分：

① 固溶处理：将步骤（1）所得铸锭置于电阻加热炉中，升温至500~540℃，并保温8~24 h进行固溶处理后水淬；

② 时效处理：经固溶处理的铸锭由室温升温至180℃-250℃，并保温0.5-200h进行时效处理，即得到含铝高模量稀土镁合金。

进一步地，步骤（1）中，钢模使用前先预热至150~200℃。

进一步地，步骤②中，升温速率为0.5～2K/min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明所得合金室温抗拉强度可超过330MPa，弹性模量超过50GPa，延伸率可超过5.0%。

（2）本发明通过Al元素与KBF₄和K₂TiF₆在高温下发生反应，可原位生成高模量的TiB₂粒子，且铝元素还可与稀土元素反应生成高模量的粒子，共同提高合金的弹性模量。

（3）本发明无需添加Zr元素作为晶粒细化剂， Al的加入能够与稀土元素进行反应，得到Al₂RE（RE：稀土）粒子，作为形核核心，细化合金晶粒。

（4）本发明通过慢速升温时效，可促使晶界附近的析出，有效抑制无沉淀析出带，降低晶界及晶内析出相密度的差异，使晶界、晶内性能更均衡，有利于提高合金的强度和塑性。

附图说明

图1为本发明合金典型的铸态组织扫描电镜图。

图2为本发明合金典型的固溶处理后的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于此。

实施例1

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 7.22%，Y 1.96%，Nd 0.93%，Al 0.85%，Ti 0.87%，B2.06%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

配料完毕后，将称量好的原材料置于烘箱中烘干待用，烘箱温度为120℃；合金熔炼时，将纯镁和纯铝加入坩埚中升温熔化，待纯镁及纯铝完全熔化后，加入KBF₄和K₂TiF₆，升温至850℃，搅拌后保温20 min，然后扒去反应产物，并调整温度至800℃，加入Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金，保温30 min后进行精炼，精炼完毕后进行静置；熔体静置后调整温度至740℃并浇入预热至200℃的钢模，整个熔铸过程采用氩气进行保护，得到铸锭。

(3) 合金热处理

① 固溶处理。将上述制备的铸锭置于电阻加热炉中，升温至540℃，保温8 h后水淬；

② 时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以2K/min的速率升温至200℃保温155 h(铸造-T6态)，即得高模量高强度镁合金。

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为55GPa，抗拉强度为343MPa，屈服强度为254MPa，断后伸长率为6.0%。

实施例2

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 11.56%，Y 2.63%，Nd 0.61%，Al 1.42%，Ti 0.83%，B2.71%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

配料完毕后，将称量好的原材料置于烘箱中烘干待用，烘箱温度为120℃；合金熔炼时，将纯镁和纯铝加入坩埚中升温熔化，待纯镁及纯铝完全熔化后，加入KBF₄和K₂TiF₆，升温至860℃，搅拌后保温30 min，然后扒去反应产物，并调整温度至800℃，加入Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金，保温30 min后进行精炼，精炼完毕后进行静置；熔体静置后调整温度至750℃并浇入预热至200℃的钢模，整个熔铸过程采用氩气进行保护，得到铸锭。

(3) 合金热处理

① 固溶处理。将上述制备的铸锭置于电阻加热炉中，升温至520℃，保温16 h后水淬；

② 时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以2K/min的速率升温至225℃保温12 h(铸造-T6态)，即得高模量高强度镁合金。

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为57GPa，抗拉强度为394MPa，屈服强度为278MPa，断后伸长率为5.5%。

实施例3

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 8.71%，Y 2.34%，Nd 0.81%，Al 0.64%，Ti 0.91%，B1.02%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

(3) 合金热处理

① 固溶处理。将上述制备的铸锭置于电阻加热炉中，升温至540℃，保温10 h后水淬；

② 时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以2K/min的速率升温至215℃保温24 h(铸造-T6态)，即得高模量高强度镁合金。

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为53GPa，抗拉强度为369MPa，屈服强度为247MPa，断后伸长率为5.0%。

实施例4

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 10.73%，Y 2.47%，Nd 1.04%，Al 1.25%，Ti 0.79%，B1.57%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

(3) 合金热处理

① 固溶处理。将上述制备的铸锭置于电阻加热炉中，升温至540℃，保温24 h后水淬；

② 时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以2K/min的速率升温至200℃保温120 h(铸造-T6态)，即得高模量高强度镁合金。

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为59GPa，抗拉强度为408MPa，屈服强度为301MPa，断后伸长率为5.0%。

实施例5

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 9.38%，Y 2.49%，Nd 0.95%，Al 1.54%，Ti 0.84%，B2.51%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

(3) 合金热处理

② 时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以2K/min的速率升温至200℃保温155 h(铸造-T6态)即得高模量高强度镁合金。

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为58GPa，抗拉强度为382MPa，屈服强度为265MPa，断后伸长率为6.5%。

实施例6

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 10.51%，Y 1.26%，Nd 0.57%，Al 0.78%，Ti 0.69%，B2.16%；杂质元素Cu≤0.02%，Fe≤0.02%，Ni≤0.02%，Si≤0.02%，其余为Mg。

(2) 合金熔铸

(3) 合金热处理

① 固溶处理。将上述制备的铸锭置于电阻加热炉中，升温至520℃，保温24 h后水淬；

(4) 力学性能

本实施例的合金，经T6处理后，室温弹性模量为56GPa，抗拉强度为365MPa，屈服强度为249MPa，断后伸长率为7.0%。

Claims

1.一种含铝高模量稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述含铝高模量稀土镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd 7.0～12.0％，Y 0.01～3.0％，Nd 0.01～1.2％，B0.01～3.0％，Ti 0.01～1.0％，Al 0.5～1.5％，其中稀土元素Gd、Y、Nd的总含量≤15.0％；杂质元素Cu≤0.05％，Fe≤0.05％，Ni≤0.02％，Si≤0.05％，杂质总含量不超过0.1％，余量为Mg；所述的制备方法包括合金熔铸和热处理两部分，具体包括如下步骤：

(1)合金熔铸；合金熔炼时，Mg元素以纯镁的形式加入，Al元素以纯铝的形式加入，Gd、Y、Nd元素分别以Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金的形式加入，B元素以KBF₄的形式加入，Ti元素以K₂TiF₆的形式加入，合金成分满足上述质量百分比的要求，先将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd中间合金、KBF₄、K₂TiF₆在100～200℃条件下预热、烘干备用；将烘干的纯镁和纯铝放入坩埚中，升温至740～760℃进行熔化；待坩埚中原料熔化完毕后，加入KBF₄和K₂TiF₆，升温至830～860℃，保温20～30min，以使Al元素与KBF₄和K₂TiF₆发生反应生成高模量TiB₂粒子，然后扒去反应产物，并调整温度至780～800℃，加入Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Nd中间合金，保温25～35min后进行精炼，精炼完毕后进行静置；熔体静置后调整温度至720～750℃，并将熔体浇入钢模；合金成分满足上述质量百分比的要求，整个熔铸过程采用保护性气体进行保护，得到铸锭；所述钢模使用前先预热至150～200℃；

(2)合金热处理；合金热处理包含固溶处理和时效处理两部分：

①固溶处理：将步骤(1)所得铸锭置于电阻加热炉中，升温至500～540℃，并保温8～24h进行固溶处理后水淬；

②时效处理：经固溶处理的铸锭由室温升温至180～250℃，并保温0.5～200h进行时效处理，即得到含铝高模量稀土镁合金。

2.根据权利要求1所述的含铝高模量稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤②中，升温速率为0.5～2K/min。