阅读说明：本技术 一种长周期结构强化的高强耐热镁合金及制备方法 (Long-period structure reinforced high-strength heat-resistant magnesium alloy and preparation method thereof ) 是由 施斌卿 聂宝华 陈东初 罗铭强 聂德键 李辉 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镁合金,其包括以下质量百分数的元素：Gd：6.5wt％～8.0wt％；Y：1.0wt％～2.2wt％；Zn：0.2wt％～0.6wt％；Cu：0.3wt％～0.6wt％；Zr：0.1wt％～0.5wt％；杂质元素Si、Fe、Ni均不大于0.02wt.％,余量为Mg；所述(Gd+Y)/(Zn+Cu)的质量百分数的比为10～20:1。本发明的长周期结构强化的高强耐热镁合金,通过对合金成分进行设计和改进,获得具有优异中高温强化效果的长周期相,通过大变形量挤压工艺进一步细化晶粒尺寸,结合时效处理充分发挥该合金的第二相强化效应,本发明方法具有工艺简单、易于操作的优点。(The invention discloses a magnesium alloy which comprises the following elements in percentage by mass: gd: 6.5 wt% -8.0 wt%; y: 1.0 wt% -2.2 wt%; zn: 0.2 wt% -0.6 wt%; cu: 0.3 wt% -0.6 wt%; zr: 0.1 wt% -0.5 wt%; impurity elements Si, Fe and Ni are not more than 0.02 wt.%, and the balance is Mg; the mass percentage ratio of (Gd + Y)/(Zn + Cu) is 10-20: 1. The high-strength heat-resistant magnesium alloy reinforced by the long-period structure obtains the long-period phase with excellent medium-high temperature reinforcement effect by designing and improving the alloy components, further refines the grain size by a large-deformation extrusion process, and fully exerts the second-phase reinforcement effect of the alloy by combining aging treatment.)

一种长周期结构强化的高强耐热镁合金及制备方法

技术领域

本发明涉及对金属冶炼技术领域，特别涉及一种长周期结构强化的高强耐热镁合金及制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，具有较高的比强度和比刚度、阻尼吸震性能优越、易于回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色结构材料”。但是，镁合金强度的不足和耐热性的不佳严重阻碍了镁合金在航空航天、军工及其它行业中替代铝合金等材料的步伐。

现有耐热镁合金主要通过下述手段来实现提高镁合金热强性的目的：(1)引入热稳定性高的第二相；(2)降低元素在镁基体中的扩散速率；(3)改善晶界结构状态和组织形态。在镁合金中添加的合金元素中，稀土是提高镁合金耐热性能最有效的合金元素，主要原因稀土元素在镁中具有较大的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度急剧减少，可以得到较大的过饱和度，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点稀土化合物相。这些高熔点析出相在高温时可以有效钉扎晶内位错和晶界滑移，使材料在中高温度下仍然能够保持较稳定的力学性能。目前最常用的商用耐热镁合金为WE54合金(Mg-5％Y-2％Nd-2.0％HRE-0.5％Zr，wt.％)，其中HRE是混合重稀土元素，如Tb、Er、Dy和Gd。WE54合金是目前商业上高温力学性能最好的镁合金，耐热温度可达250℃，然而该合金在中高温使用时强度仍不足，难以满足高温环境服役的轻量化结构件的性能要求。国内曾开发一些含稀土耐热镁合金，如中国专利申请(公开号：CN1962914A)公开了一种含稀土镁合金，该稀土铸造镁合金包括6wt％～15wt％Gd；2wt％～6wt％Sm；0.35wt％～0.8wt％Zr；余量为镁及杂质，杂质Si、Fe、Cu和Ni的总含量小于0.02％。该合金的耐热性随着温度的升高明显降低，此外该合金在高温强度不足。如中国专利申请(公开号：CN102676895B)公开了一种含稀土铸造镁合金，由0.1～5％的Sr、1～20％的Si、0.1～2％的Ca和余量的Mg，但该合金的高温强度明显不足。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在镁合金强度的不足和耐热性的不佳的问题，提供一种长周期结构强化的高强耐热镁合金及其制备方法。近年来高强度稀土镁合金研究的一个重要发现是在Mg-RE(RE＝Y，Gd，Tb，Dy，Ho，Er或Tm)镁合金中加入一定量的Zn或Cu或Ni元素，会形成长周期相(LPSO)，包含这种长周期相的镁合金具有良好的室温强度和高温强度。因此通过合金成分设计、热处理工艺和热加工工艺调控长周期相的组织结构，有望替代传统的WE54耐热镁合金，推动汽车、交通、航空航天等领域中的结构件轻量化。

本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种镁合金，其包括以下质量百分数的元素：

Gd：6.5wt％～8.0wt％，优选7.0wt％～7.5wt％；

Y：1.0wt％～2.2wt％，优选1.5wt％～2.0wt％；

Zn：0.2wt％～0.6wt％，优选0.3wt％～0.5wt％；

Cu：0.3wt％～0.6wt％，优选0.3wt％～0.5wt％；

Zr：0.1wt％～0.5wt％，优选0.1wt％～0.3wt％；

杂质元素Si、Fe、Ni均不大于0.02wt.％，优选不大于0.015wt.％，余量为Mg；

所述(Gd+Y)/(Zn+Cu)的质量百分数的比为10～20:1，优选为10～18.3:1。

本发明同时还提供了上述镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、合金冶炼：

(1)将高纯镁、纯Cu、纯Zn、Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金分别预热；

(2)升温至710～750℃，将镁锭在坩埚中加热熔化，镁锭开始熔化时，通入CO₂+0.5vol％SF₆混合气体，至纯镁锭完全熔化后，在720～760℃镁液中加入纯Zn和纯Cu，充分溶解后，搅拌3～5分钟；

(3)升温至760～800℃，加入Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金，搅拌时间5～10分钟，静置10～15分钟；

(4)熔体精炼处理，精炼后除渣并将温度降700～720℃；在CO₂+0.5vol％SF₆混合气体下，将熔体浇注到预热至450℃～500℃的金属模具中成型，获得镁合金铸锭；

步骤二、挤压加工：

将镁合金铸锭在490～510℃左右下均匀化处理15～40小时，然后切割机加工，在350～400℃挤压成型材，挤压比为25:1，挤压速度0.5～2m/min；所得的镁合金挤压型材在150～210℃条件下进行24～40h的时效处理。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的长周期结构强化的高强耐热镁合金，通过对合金成分进行设计和改进，获得具有优异中高温强化效果的长周期相，通过大变形量挤压工艺进一步细化晶粒尺寸，结合时效处理充分发挥该合金的第二相强化效应，本发明方法具有工艺简单、易于操作的优点。

附图说明

图1为实施例1制得的具有长周期结构(LPSO)的高强耐热镁合金的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1，一种长周期结构强化的高强耐热镁合金，包括以下质量百分数的元素：Gd：7.4wt％；Y：1.6wt％；Zn：0.3wt％；Cu：0.4wt％；Zr：0.13wt％杂质元素Si、Fe、Ni均不大于0.015wt.％，余量为Mg。

其制备方法包括以下步骤：

(1)将高纯镁、纯Cu、纯Zn、Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金分别在182℃预热；

(2)升温至720℃，将镁锭在坩埚中加热熔化，镁锭开始熔化时，通入CO₂+0.5vol％SF₆混合气体，至纯镁锭完全熔化后，在760℃镁液中加入纯Zn和纯Cu，充分溶解后，搅拌5分钟；

(3)升温至784℃，加入Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金，搅拌时间5分钟，静置15分钟；

(4)熔体精炼处理，精炼后除渣并将温度降700℃；在CO₂+0.5vol％SF₆混合气体下，将熔体浇注到预热至450℃的金属模具中成型；

(5)将镁合金铸锭在500℃左右下均匀化处理20小时，然后切割机加工，在370℃挤压成型材，挤压比为25:1，挤压速度0.5m/min；

(6)镁合金挤压型材在150℃条件下进行40h的时效处理。

本实施例所得的长周期结构强化的高强耐热镁合金，其扫描电镜图如图1所示。图中白色箭头尖端所指之处均为LPSO相结构。

实施例2，一种长周期结构强化的高强耐热镁合金，包括以下质量百分数的元素：Gd：7.3wt％；Y：1.8wt％；Zn：0.41wt％；Cu：0.45wt％；Zr：0.15wt％；杂质元素Si、Fe、Ni均不大于0.015wt.％，余量为Mg。其制备方法包括如下步骤：

(1)将高纯镁、纯Cu、纯Zn、Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金分别在180℃预热；

(2)升温至725℃，将镁锭在坩埚中加热熔化，镁锭开始熔化时，通入CO₂+0.5vol％SF₆混合气体，至纯镁锭完全熔化后，在745℃镁液中加入纯Zn和纯Cu，充分溶解后，搅拌5分钟；

(3)升温至794℃，加入Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金，搅拌时间10分钟，静置15分钟；

(4)熔体精炼处理，精炼后除渣并将温度降712℃；在CO₂+0.5vol％SF₆混合气体下，将熔体浇注到预热至450℃的金属模具中成型；

(5)将镁合金铸锭在505℃左右下均匀化处理30小时，然后切割机加工，在355℃挤压成型材，挤压比为25:1，挤压速度0.7m/min；

(6)镁合金挤压型材在175℃条件下进行30h的时效处理。

实施例3，一种长周期结构强化的高强耐热镁合金，该镁合金包括以下质量百分数的元素：Gd：7.0wt.％；Y：1.9wt％；Zn：0.33wt％；Cu：0.41wt％；Zr：0.23wt％；杂质元素Si、Fe、Ni均不大于0.015wt.％，余量为Mg。其制备方法包括如下步骤：

(1)将高纯镁、纯Cu、纯Zn、Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金在181℃预热；

(2)升温至722℃，将镁锭在坩埚中加热熔化，镁锭开始熔化时，通入CO2+0.5vol％SF6混合气体，至纯镁锭完全熔化后，在744℃镁液中加入纯Zn和纯Cu，充分溶解后，搅拌5分钟；

(3)升温至783℃，加入Mg-25wt.％Gd中间合金、Mg-25wt.％Y中间合金、Mg-30wt.％Zr中间合金，搅拌时间8分钟，静置15分钟；

(4)熔体精炼处理，精炼后除渣并将温度降715℃；在CO₂+0.5vol％SF₆混合气体下，将熔体浇注到预热至450℃的金属模具中成型；

(5)将镁合金铸锭在510℃下均匀化处理25小时，然后切割机加工，在400℃挤压成型材，挤压比为25:1，挤压速度1.5m/min；

(6)镁合金挤压型材在190℃条件下进行30h的时效处理。

上述各实施例所得的长周期结构强化的高强耐热镁合金，沿挤压方向拉伸性能与对比材料(WE54)对比见表1。

表1拉伸性能对比

	室温屈服强度(MPa)	200℃屈服强度(MPa)
			实施例1	385	301
实施例2	393	318
			实施例3	343	273
对比材料	310	255

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些均属于本发明的保护范围。