CN109943760B

CN109943760B - 一种高强高塑稀土镁合金及其制备方法

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Publication number: CN109943760B
Application number: CN201910403252.1A
Authority: CN
Inventors: 唐昌平; 王雪兆; 官立群; 吴凯; 刘文辉; 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: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN109943760A

Abstract

本发明公开一种高强高塑稀土镁合金及其制备方法。合金成分为Gd 7～10%，Y 0.01～3%，Nd 0.01～1.2%，Er 0.01～4%，Sm 0.01～1%，La 0.01～1%，Ce 0.01～1%，Zr 0.3～0.7%，且Gd、Y、Nd、Er、Sm、La、Ce的总含量≤15%，Sm、La、Ce的总含量≤1.5%；杂质元素Al≤0.02%，Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.02%，Si≤0.05%，且杂质总含量不超过0.1%，余量为Mg；制备方法包括合金熔铸和热处理，采用本发明所制备合金铸造‑T6态的室温抗拉强度超过350MPa，断后伸长率不低于5.0%。

Description

一种高强高塑稀土镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属材料及加工，特别涉及一种高强高塑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、比刚度高、阻尼减震性能好、电磁屏蔽性能好等优点，是当前工程应用中最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车及电子工业中具有重要的应用前景。近几十年来的研究表明，以稀土作为合金化元素可显著提高合金的室温及高温力学性能。例如，英国Magnesium Elektron公司开发了含Y元素和Nd元素的WE54和WE43合金，合金元素含量较高的WE54合金，其室温抗拉强度为280MPa，屈服强度为205MPa，断后伸长率为4.0%；我国也开发了含稀土的ZM6合金，在工程上获得了广泛的应用，其抗拉强度为225MPa，延伸率为3%。随着新一代飞行器速度和加速度的提升，对材料的强度和塑性提出了更高的要求，为适应这一迫切需求，近二十年来，以Gd、Y为主要合金元素，国内外相继开发了不同成分的Mg-Gd-Y系列合金，大大提升了合金的抗拉强度，但是，合金的塑性往往较差，综合性能难以满足工程领域对高强度高塑性镁合金材料的需求。

发明内容

为了克服现有技术高强度和高塑性难协同的问题，本发明提供一种基于多元少量思想设计的高强度高塑性稀土镁合金及其制备方法，制备方法采用分级热处理调控微观组织，所得合金可满足航空航天领域构件制造对高强度高塑性镁合金材料的需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高强高塑稀土镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd 7.0～10.0%，Y 0.01～3.0%，Nd 0.01～1.2 %，Er 0.01～4.0%，Sm 0.01～1.0%，La 0.01～1.0%，Ce 0.01～1.0%，Zr 0.3～0.7%，且稀土元素Gd、Y、Nd、Er、Sm、La、Ce的总含量(质量分数)≤15.0%，Sm、La、Ce的总含量≤1.5%；杂质元素Al≤0.02%，Cu≤0.05%，Fe≤0.05%，Ni≤0.02%，Si≤0.05%，且杂质总含量不超过0.1%，余量为Mg。

上述的高强高塑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，Gd、Y、Nd、Er、Sm、La、Ce和Zr元素分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce和Mg-Zr中间合金的形式加入，先将纯镁、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce和Mg-Zr中间合金在100～200℃条件下预热、烘干备用；将烘干的Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce中间合金和纯镁放入坩埚中，升温至740～760℃进行熔化；待坩埚中原料熔化完毕后，升温至780～800℃，加入Mg-Zr中间合金，并进行精炼；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300～420℃，保温2～24h，进行预析出处理，然后升温至500～540℃，并保温0.5～24h进行第一级固溶处理，再升温至560～610℃，保温0.5～3h进行第二级固溶处理后水淬；

② 时效处理：经固溶处理的铸锭由室温升温至180～250℃，并保温0.5～120h进行时效处理，即得高强高塑稀土镁合金。

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①中，预析出处理的升温速率为5～20K/min；第一级固溶处理的升温速率为2K/min以上，优选2~20K/min。

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）本发明通过多元少量的合金成分设计，能够明显提高固溶体的能量，促进合金时效过程中的析出，增加时效强化效果，提高合金强度。

（2）本发明通过固溶时在300～420℃进行的预析出处理，可促使晶界及非平衡共晶附近发生析出，促使高溶质原子浓度区发生扩散，降低局部的溶质原子浓度，从而降低后续固溶过程中形成对力学性能有害的方块状富稀土粒子的数量。

（3）本发明的固溶处理分级进行，通过500～540℃进行的第一级低温固溶，可在有效控制晶粒尺寸的基础上使非平衡共晶Mg_5.05RE溶入基体，通过560～610℃进行第二级高温短时固溶，可使残留的Mg₁₂RE相溶入基体，消除晶界的所有非平衡共晶，同时为时效处理奠定基础。

（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形成，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，有利于提高合金的力学性能。

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过程中预析出处理后的扫描电镜图。

图3为本发明第一级固溶处理后典型的扫描电镜图。

图4为本发明第二级固溶处理后典型的扫描电镜图。

图5为本发明时效处理后晶界处典型的透射电镜图。

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 2.14%，Nd 0.52%，Er 2.43%，Sm 0.42%，La0.34%，Ce 0.28%，Zr 0.46%；杂质元素Al≤0.02%，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，将纯镁和中间合金Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce加入坩埚中升温熔化，待纯镁及中间合金完全熔化后，升温至800℃，加入Mg-Zr中间合金，待Mg-Zr中间合金完全熔化后，精炼10分钟，然后经扒渣后静置，之后降温至750℃，将合金液浇入钢模中，钢模事先预热至200℃，整个熔铸过程中采用惰性气体进行保护，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，先升温至350℃保温24h，再以10K/min的速度升温至520℃保温12h，然后以5K/min的速度升温至570℃保温2h后水淬；

②时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以1K/min的速率升温至200℃保温120h(铸造-T6态)，即得高强高塑镁合金。

(4) 力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为375MPa，屈服强度为248MPa，断后伸长率为6.5%。

实施例2

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 8.42%，Y 2.84%，Nd 0.32%，Er 1.14%，Sm 0.21%，La0.12%，Ce 0.04%，Zr 0.45%；杂质元素Al≤0.02%，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

(4)力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为385MPa，屈服强度为262MPa，断后伸长率为6.0%。

实施例3

(1)合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 8.35%，Y 1.24%，Nd 0.27%，Er 3.21%，Sm 0.19%，La0.11%，Ce 0.06%，Zr 0.42%；杂质元素Al≤0.02%，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，先升温至350℃保温24h，再以10K/min的速度升温至520℃保温16h，然后以5K/min的速度升温至570℃保温2h后水淬；

②时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，以1K/min的速率升温至200℃保温100h(铸造-T6态)，即得高强高塑镁合金。

(4)力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为365MPa，屈服强度为242MPa，断后伸长率为7.8%。

实施例4

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 9.32%，Y 2.84%，Nd 1.02%，Er 0.26%，Sm 0.14%，La0.72%，Ce0.14%，Zr：0.56%；杂质元素Al≤0.02%，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，先升温至350℃保温24h，再以10K/min的速度升温至520℃保温24h，然后以5K/min的速度升温至570℃保温2h后水淬；

②时效处理。将淬火的铸锭置于电阻加热炉中，升温至215℃保温24h(铸造-T6态)，即得高强高塑镁合金。

(4)力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为395MPa，屈服强度为274MPa，断后伸长率为5.2%。

实施例5

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 8.16%，Y 2.23%，Nd 0.21%，Er 1.95%，Sm 0.34%，La0.16%，Ce 0.08%，Zr 0.51%；杂质元素Al≤0.02%，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

(4)力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为375MPa，屈服强度为248MPa，断后伸长率为6.2%。

实施例6

(1) 合金成分

合金成分（质量分数）为：Gd 7.64%，Y 0.86%，Nd 0.64%，Er 3.25%，Sm 0.84%，La0.38%，Ce 0.23%，Zr 0.48%；杂质元素Al≤0.02%，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

(4)力学性能

经测定，本实施例的合金，经T6处理后，室温抗拉强度为386MPa，屈服强度为243MPa，断后伸长率为9.5%。

Claims

1.一种高强高塑稀土镁合金，其特征在于，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd 7.0～10.0％，Y 0.01～3.0％，Nd 0.01～1.2％，Er 0.01～4.0％，Sm 0.01～1.0％，La 0.01～1.0％，Ce 0.01～1.0％，Zr 0.3～0.7％，且稀土元素Gd、Y、Nd、Er、Sm、La、Ce的总含量≤13.84％，Sm、La、Ce的总含量≤1.5％；杂质元素Al≤0.02％，Cu≤0.05％，Fe≤0.05％，Ni≤0.02％，Si≤0.05％，且杂质总含量不超过0.1％，余量为Mg；

所述的高强高塑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，Gd、Y、Nd、Er、Sm、La、Ce和Zr元素分别以Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce和Mg-Zr中间合金的形式加入，先将纯镁、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce和Mg-Zr中间合金在100～200℃条件下预热、烘干备用；将烘干的Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Er、Mg-Sm、Mg-La、Mg-Ce中间合金和纯镁放入坩埚中，升温至740～760℃进行熔化；待坩埚中原料熔化完毕后，升温至780～800℃，加入Mg-Zr中间合金，并进行精炼；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300～420℃，保温2～24h，进行预析出处理，然后升温至500～540℃，并保温0.5～24h进行第一级固溶处理，再升温至560～610℃，保温0.5～3h进行第二级固溶处理后水淬；

②时效处理：经固溶处理的铸锭由室温慢速升温至180～250℃，并保温0.5～120h进行时效处理，即得高强高塑稀土镁合金。

2.权利要求1所述的高强高塑稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括合金熔铸和热处理两部分，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的高强高塑稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，钢模使用前先预热至150～200℃。

4.根据权利要求2所述的高强高塑稀土镁合金的制备方法，其特征在于，步骤①中，预析出处理的升温速率为5～20K/min；第一级固溶处理的升温速率为2K/min以上。

5.根据权利要求2所述的高强高塑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。