CN113774242B

CN113774242B - 一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法

Info

Publication number: CN113774242B
Application number: CN202110950119.5A
Authority: CN
Inventors: 张新房; 冯莹
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: CN113774242A

Abstract

本发明实施例公开一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，属于稀土镁合金均质化精炼的技术领域。所述方法具体包括如下步骤：S1：对以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金进行熔炼；S2：确定脉冲电流处理参数；S3：脉冲电流处理；S4：对脉冲电流处理后的稀土镁合金不同位置进行SEM扫描电镜观察，获得不同位置稀土元素的偏析情况。与未进行均质化的稀土镁合金相比，本发明能在短时间内大幅提高稀土镁合金的各项性能，增加稀土的利用率。与其他均质化方式相比，本发明处理时间短，设备简单，效果更佳，不需其他方式辅助，可独立作用达到均匀化效果，但也可与其他方式共同作用，互不影响，降低工业化转化的成本。

Description

一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法

技术领域

本发明属于稀土镁合金均质化精炼的技术领域，涉及一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法。

背景技术

航空航天行业的不断发展使得对高性能材料的需求愈加迫切，而镁合金作为实际工程应用中最轻的结构金属材料，具有密度小、比强度、比刚度高、减震性能优良等优点，十分适合应用于航空航天这类对材料轻量化要求高的领域中。

但是普通镁合金的抗腐蚀性能和高温性能较差，应用范围十分局限。而稀土镁合金则是凭借其抗腐蚀性能和高温力学性能的改善而被更广泛地应用于航空航天领域，例如飞机上的航空座椅、发动机外壳以及卫星的壳体、支架、轴套、横梁等。对稀土镁合金的继续优化将是航空航天领域未来的焦点问题之一。

在所有的稀土元素中，钆(Gd)由于其在镁中最高的固溶度以及对镁合金的固溶强化、时效强化、沉淀强化等多种强化作用，被广泛认为是最适合应用于镁合金中提高其性能的元素。

钆(Gd)稀土元素在金属中的高温高固溶度、低温低固溶度的特点一方面会加强稀土元素在镁合金中的沉淀强化作用。但另一方面，由于钆(Gd)元素在镁合金凝固过程温度区间内较低的固溶度会使得稀土镁合金的晶粒粗大，元素偏析严重，固溶强化失效，稀土损失率极高，这些因素共同作用下就导致稀土镁合金极易碎裂，无法进行轧制，对镁合金性能的提升十分有限。故而稀土镁合金均质化冶炼成为了稀土镁合金继续发展的关键问题。

现有技术中，很多学者都已经尝试过稀土镁合金均质化处理的方法有以下几种：

1)电解处理

例如：专利CN112030193A公开了一种降低钆钇镁合金偏析的方法，发明人通过对稀土镁合金进行电解法制备，成功熔炼出了偏析程度较低的稀土镁合金。这种方式制备出来的稀土镁合金尽管偏析程度很小，但由于设备复杂、流程繁琐、初始材料珍贵等因素使得这种方式很难在工业实践中得到广泛地应用。

2)多种精炼方式协同处理

例如：专利CN1060115771A公开了一种降低ZK61M含锆镁合金铸锭锆化合物偏析的制备方法，通过煽化装置熔炼、氩气精炼、搅拌精炼、喷粉精炼的流程成功降低了镁合金铸锭锆化合物偏析。但一方面这种方式采用了多种精炼法复合作用，流程长、设备多；另一方面这种方式是否能够有效应用于性质与Zr差别很大的稀土元素仍有待研究。

3)低频电磁场处理

例如：专利CN103849801A公开了一种高强耐热镁合金锭坯电磁半连续铸造制备方法，该方法通过在熔体流入结晶器的过程中施加低频电磁场的方式，大幅降低了稀土镁合金的宏观偏析，得到了半连续铸造稀土镁合金的方法。但对设备的要求较高，需要配置有励磁线圈的结晶器，且微观偏析的问题仍无法解决。

4)搅拌破碎熔渣处理

例如：专利CN212167288A公开了一种用于镁、铝合金晶粒细化的强力搅拌装置，将金属液中残余的部分熔渣进行充分破碎细化，起到了晶粒细化的作用，降低了成分偏析。但缺点也是显而易见的，阻碍了镁合金中夹杂物的去除、且镁熔体极易与空气发生反应，而这个装置会加剧这类反应的进行，增加镁损失的同时也增加了更多的安全隐患。在镁-钆合金这类固溶度随温度变化较大的稀土镁合金中起到的作用较小。

5)脉冲电流与焦耳热的耦合处理

例如：专利CN111575619B提供了一种脉冲电流快速消除涡轮盘用镍基变形高温合金铸锭中枝晶偏析的方法，通过脉冲电流与焦耳热的耦合作用增强偏析元素原子的扩散能力，进而实现脉冲电流外场下枝晶偏析的快速消除。这种方法属于电磁加热处理范畴，所述材料为经过第一阶段均匀化处理(目的：消除枝晶间Laves相)，即将进行第二阶段均匀化处理(目的：消除枝晶间元素偏析)的变形高温合金半成品，脉冲电流通过的是固体材料。

综上，现有技术并未给出将脉冲电流用于以稀土元素钆为主要合金元素的稀土镁合金的钆(Gd)元素在晶界处的偏析消除，给出的上述5种处理方式并不适合钆(Gd)元素在晶界处的偏析消除，30％以上的晶界区域都是偏析形成的富钆区，而晶内钆含量十分低，导致镁合金成品晶粒粗大、塑性降低严重、固溶于晶内的稀土元素含量过低，无法大幅提高镁合金整体的抗腐蚀性能，同时析出的第二相不能均匀分布使得析出强化效果也大打折扣，材料的强度也不能达到理想的效果。其它的诸如脉冲电流处理的目的和技术效果也不涉及前述内容，具体的如何通过脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析更是未考虑。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有的稀土镁合金均质化处理的方法并不适合于以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金的钆(Gd)元素在晶界处的偏析消除，均存在处理过程复杂、成本高、操作难度大、影响其他精炼工序、不够环保等缺陷，无法完全解决稀土镁合金均质化精炼的难题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1：对以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金进行熔炼；

S2：确定脉冲电流处理参数；

S3：脉冲电流处理；

S4：对脉冲电流处理后的稀土镁合金不同位置进行SEM扫描电镜观察，获得不同位置稀土元素的偏析情况。

优选地，所述步骤S2中的脉冲电流处理的参数范围：频率10-50000Hz，脉宽1-1000μs，电流20-5000A，作用时间5-60min。

优选地，所述步骤S1中的熔炼需要在防氧化环境下进行。

优选地，所述步骤S1中的防氧化环境包括保护性气氛或覆盖剂的添加。

优选地，所述步骤S1中的熔炼是通过控制第一段升温速率175-185℃/h和第二段升温速率275-285℃/h将熔炼温度升温至760-765℃。

优选地，所述步骤S2中的脉冲电流处理参数根据坩埚尺寸和稀土镁合金的类型特点来选择。

优选地，所述步骤S2中的脉冲电流处理参数选择为：坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体2.8-3.2mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为8-12min；坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体2.8-3.2mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，60A，作用时间为12-18min；根据坩埚尺寸和稀土镁合金的类型特点来选择合适的脉冲电流处理参数：坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体8-12mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为4-7min；坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体8-12mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为13-18min。

优选地，在工业生产实际中，所述步骤S2中的脉冲电流处理参数选择为：500-600kg级别的熔炼炉，电极插入熔体48-52mm，脉冲电流参数选择为10-50000Hz，10-1000μs，100-5000A，在镁合金熔融时开始处理，冷却至380-420℃时停止处理，过程50-60min。

优选地，所述步骤S3中的脉冲电流处理包括：插入电极并固定，设置相应的脉冲电流处理参数，开始加载脉冲电流；待加载脉冲电流固定时间后，将脉冲电流设备关闭。

优选地，所述方法处理后的稀土镁合金中元素偏析比无脉冲处理的镁合金降低了70-90％。

利用脉冲电流将以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金的钆(Gd)元素在晶界处进行偏析消除的原理：

本发明选用的是YFZM-0型号的镁合金(Gd含量10％+)，仅用传统静置方式精炼时，30％以上的晶界区域都是偏析形成的富Gd区，而晶内Gd含量十分低，远远低于其最大固溶度，这就会导致镁合金成品晶粒粗大、塑性降低严重、固溶于晶内的稀土元素含量过低，无法大幅提高镁合金整体的抗腐蚀性能，同时析出的第二相不能均匀分布使得析出强化效果也大打折扣，材料的强度也不能达到理想的效果。因此，想要得到更高品质的稀土镁合金，必须对稀土镁合金进行均质化精炼，抑制稀土元素的偏析，增强固溶强化效果，同时细化晶粒，使第二相弥散分布，在析出强化和固溶强化的双重作用下得到抗腐蚀性能、抗高温蠕变性能、高温力学性能等都十分优越的稀土镁合金，促进航空航天事业的进一步发展。

而通过脉冲电流处理实现稀土元素在镁合金中均匀分布，抑制稀土元素在晶界处的偏析，使固溶强化和析出强化能够最大程度地发挥作用，得到抗腐蚀性能、抗高温蠕变性能、高温力学性能等都十分优越的稀土镁合金。

本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：

与未进行均质化的稀土镁合金相比，上述方案能够做到在短时间内大幅提高稀土镁合金的各项性能，增加稀土的利用率。与其他均质化方式相比，上述方案处理时间短，设备简单，效果更佳，不需其他方式辅助，可独立作用达到均匀化效果，但也可与其他方式共同作用，互不影响，大大地降低了工业化转化的成本。

故而，上述方案采用脉冲电流，耗能极少，可大大降低能源消耗，符合当前工业绿色发展规划的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为对比例中无脉冲电流干预而仅仅采用传统精炼方式和本发明的实施例1中利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法的稀土镁合金不同部位稀土元素偏析情况SEM图；

其中：a、c、e分别为传统精炼方式处理后稀土镁合金的顶部、中部、底部的稀土元素偏析情况SEM图，b、d、f分别为实施例1中脉冲电流快速消除处理后稀土镁合金的顶部、中部、底部的稀土元素偏析情况SEM图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1：

本实施例对稀土镁合金进行脉冲电流处理。具体步骤如下：

S1：对以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金进行熔炼。将干燥后的镁合金放入坩埚中，加入RJ-2覆盖剂，通过缓慢加热(180℃/h)和快速升温(280℃/h)两个阶段共3h，将坩埚温度升至760℃。

S2：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流处理参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为31000Hz，30μs，80A，作用时间10min。

S3：脉冲电流处理。将准备好的钢电极对称插入坩埚两侧，确认电极插入熔体3mm；连接脉冲电流发生器，进行10min脉冲电流处理。

S4：对脉冲电流处理后镁合金的不同位置进行SEM扫描电镜观察，观察不同位置稀土元素的偏析情况，如图1所示b、d、f分别为实施例1中脉冲电流快速消除处理后稀土镁合金的顶部、中部、底部的稀土元素偏析情况SEM图。

实施例2：

本实施例对稀土镁合金进行脉冲电流处理。具体步骤如下：

S2：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为31000Hz，30μs，60A，作用时间15min。

S3：脉冲电流处理。将准备好的钢电极对称插入坩埚两侧，确认电极插入熔体3mm；连接脉冲电流发生器，进行15min脉冲电流处理。

S4：对脉冲电流处理后镁合金的不同位置进行SEM扫描电镜观察，观察不同位置稀土元素的偏析情况。

实施例3：

本实施例对稀土镁合金进行脉冲电流处理。具体步骤如下：

S2：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为31000Hz，30μs，80A，作用时间5min。

S3：脉冲电流处理。将准备好的钢电极对称插入坩埚两侧，确认电极插入熔体10mm；连接脉冲电流发生器，进行5min脉冲电流处理。

实施例4：

本实施例对稀土镁合金进行脉冲电流处理。具体步骤如下：

S2：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为31000Hz，30μs，80A，作用时间15min。

S3：脉冲电流处理。将准备好的钢电极对称插入坩埚两侧，确认电极插入熔体10mm；连接脉冲电流发生器，进行15min脉冲电流处理。

实施例5：

本实施例对稀土镁合金进行脉冲电流处理，适应于工业化生产级别的镁合金。具体步骤如下：

S1：对以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金进行熔炼。将原料装入熔炼炉中，加入覆盖剂，将温度升至熔点以上。

S2：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为50000Hz，10μs，1000A，作用在镁合金熔融状态到凝固至400℃的阶段。

S3：脉冲电流处理。将准备好的钢电极对称插入坩埚两侧，确认电极插入熔体50mm；连接脉冲电流发生器，进行脉冲电流处理。

S4：对脉冲电流加热状态下的镁合金进行炉冷，至400℃时关闭脉冲电流发生器。

S5：对脉冲电流处理后镁合金的不同位置进行SEM扫描电镜观察，观察不同位置稀土元素的偏析情况。

对比例：

S2：确定精炼方式和参数。采用静置沉降法精炼，在760℃保温10min。

S3：在760℃保温10min后，将坩埚取出进行空冷。

S4：对无脉冲处理的镁合金的不同位置进行SEM扫描电镜观察，观察不同位置稀土元素的偏析情况。如图1所示a、c、e分别为传统精炼方式处理后稀土镁合金的顶部、中部、底部的稀土元素偏析情况SEM图。

故而，如图1所示，将a和b、c和d、e和f的稀土元素偏析情况SEM图分别进行对比可知，所述方法处理后的稀土镁合金中元素偏析比无脉冲处理的镁合金降低了70-90％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1：对以稀土元素钆(Gd)为主要合金元素的稀土镁合金进行熔炼；以稀土元素钆为主要合金元素的稀土镁合金中钆含量为10wt％以上；

S2：确定脉冲电流处理参数；

S3：对坩埚内的镁合金熔体施加脉冲电流处理；

S4：对脉冲电流处理后的稀土镁合金不同位置进行SEM扫描电镜观察，获得不同位置稀土元素的偏析情况；

所述步骤S1中的熔炼是通过控制第一段升温速率175-185℃/h和第二段升温速率275-285℃/h将熔炼温度升温至760-765℃；

所述步骤S2中的脉冲电流处理的参数范围：频率10-50000Hz，脉宽1-1000μs，电流20-5000A，作用时间5-60min。

2.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述步骤S2中的脉冲电流处理的参数范围：频率10-50000Hz，脉宽1-1000μs，电流20-5000A，作用时间5-60min。

3.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述步骤S1中的熔炼需要在防氧化环境下进行。

4.根据权利要求3所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述步骤S1中的防氧化环境包括保护性气氛或覆盖剂的添加。

5.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述步骤S2中的脉冲电流处理参数选择为：坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体2.8-3.2mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为8-12min；坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体2.8-3.2mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，60A，作用时间为12-18min；坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体8-12mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为4-7min；坩埚为Φ37×62mm尺寸的刚玉坩埚，电极为两个300×10×1mm的钢电极，电极插入熔体8-12mm，脉冲电流参数选择为31000Hz，30μs，80A，作用时间为13-18min。

6.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，在工业生产实际中，所述步骤S2中的脉冲电流处理参数选择为：500-600kg级别的熔炼炉，电极插入熔体48-52mm，脉冲电流参数选择为10-50000Hz，10-1000μs，100-5000A，在镁合金熔融时开始处理，冷却至380-420℃时停止处理，过程50-60min。

7.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述步骤S3中的脉冲电流处理包括：插入电极并固定，设置相应的脉冲电流处理参数，开始加载脉冲电流；待加载脉冲电流固定时间后，将脉冲电流设备关闭。

8.根据权利要求1所述的利用脉冲电流快速消除稀土镁合金中元素偏析的方法，其特征在于，所述方法处理后的稀土镁合金中元素偏析比无脉冲处理的镁合金降低了70-90％。