阅读说明：本技术 一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金及其制备方法 (High-strength high-modulus Mg-Gd-Ag-Mn-Ge magnesium alloy and preparation method thereof ) 是由 陈先华 涂腾 李建波 黄光胜 彭建 潘复生 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金及其制备方法,属于金属材料技术领域。本发明的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金按照如下质量百分比组成：9～11％的Gd、1～2％的Ag、0.15～0.3％的Mn、1.5～3.5％的Ge、0.02％以下的杂质元素、余量为Mg。本发明在Mg合金中添加Gd,Ag,Mn元素,形成具有高强韧性的Mg-Gd-Ag-Mn合金,Gd在镁合金中有很强的固溶强化和时效强化效果；Ag和Mn能细化晶粒,提高合金强度和韧性,同时在高强韧性的基础上添加Ge元素,凝固过程中生成高弹性模量的Gd<Sub>5</Sub>Ge<Sub>3</Sub>相,且添加的Ge与合金的空位有很强的相互作用,结合能力强,从而提高弹性模量。(The invention relates to a high-strength high-modulus Mg-Gd-Ag-Mn-Ge magnesium alloy and a preparation method thereof, belonging to the technical field of metal materials. The Mg-Gd-Ag-Mn-Ge magnesium alloy comprises the following components in percentage by mass: 9-11% of Gd, 1-2% of Ag, 0.15-0.3% of Mn, 1.5-3.5% of Ge, less than 0.02% of impurity elements and the balance of Mg. The Gd, Ag and Mn elements are added into the Mg alloy to form the Mg-Gd-Ag-Mn alloy with high strength and toughness, and the Gd has strong solid solution strengthening and aging strengthening effects in the magnesium alloy; ag and Mn can refine crystal grains, improve the strength and toughness of the alloy, and simultaneously add Ge element on the basis of high toughness to generate Gd with high elastic modulus in the solidification process 5 Ge 3 Phase, and the added Ge has strong interaction with the alloy vacancy, and has strong binding capacity, so thatThereby increasing the modulus of elasticity.)

一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻质的金属工程结构材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼减振降燥能力强、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用等一系列优点，因而广泛应用航天航空、电子、通讯、汽车、军工等领域。近些年，随着新一代航天器对构件稳定性的需求，对镁合金的强度和刚度提出了更严格的要求，发展高强高模量镁合金已成为新的研究趋势。由于镁合金的弹性模量较低，纯Mg的弹性模量理论值仅为44GPa，其报道的实验值范围为39GPa～45GPa。较低的模量最终导致其抗弹性变形能力差，不能满足工程领域对镁合金材料的要求，该缺点也极大的阻碍了其镁合金在航空航天领域中应用的进一步扩大。

由混合定理可知，多相合金的弹性模量主要由其组成相的弹性模量和体积分数决定，因此，添加合金元素生成高模量的第二相是提高镁合金弹性模量的有效途径。由于Gd、Y具有良好的固溶强化和时效强化效果，Mg-Gd-Y系高强韧性镁合金已经在国内外受到广泛的关注。现有研究Si含量对Mg-7Gd-4Y-2Zn-0.5Mn力学性能的影响，在Mg-7Gd-4Y-2Zn-0.5Mn合金中添加0.8wt.％Si，生成高模量的SiY(156.1GPa)和Gd₅Si₃(122.5GPa)相，合金的模量由44.7GPa提高到49.3GPa；但由于Si与稀土反应生成大量的Gd₅Si₃，稀土元素消耗多，合金的时效强化效果减弱，强度没有得到明显提高。

因此，同时提高镁合金的强度和模量是发展镁合金材料的重要课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金；本发明的目的之二在于提供一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金及的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金，所述镁合金按照如下质量百分比组成：9～11％的Gd、1～2％的Ag、0.15～0.3％的Mn、1.5～3.5％的Ge、0.02％以下的杂质元素、余量为Mg。

优选的，所述镁合金的抗拉强度为414～423MPa、屈服强度为333～346MPa、伸长率为10.0～10.5％、弹性模量为50～51GPa。

优选的，所述Mg的原料为工业纯镁锭，所述Ag的原料为纯银片，所述Ge的原料为纯锗锭；所述Gd的原料为Mg_0.7Gd_0.3中间合金，所述Mn的原料为Mg_0.97Mn_0.03中间合金。

2、上述高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)熔炼：将Mg放入电阻炉坩埚中，持续性通入CO₂气体和SF₆气体作为保护气体，加热使所述Mg完全熔化，再依次加入Ag、Ge、Gd、Mn，加热至完全熔化，搅拌混合均匀，然后加热至740℃后进行表面打渣，静置10～15min待用；

(2)铸锭成型：将步骤(1)中静置后的溶体浇铸到300℃～310℃的铁模中，水冷形成铸锭；

(3)机加工：将步骤(2)中所述铸锭进行机加工后备用；

(4)热挤压成型：将步骤(3)中机加工后的铸锭于390℃～410℃预热1.5～2h，热挤压后空冷得到挤压棒材；

(5)时效处理：将步骤(4)中所述挤压棒材进行时效处理，即可得到高强高模量的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金。

优选的，步骤(1)中所述CO₂气体和SF₆气体的体积比为1:99。

优选的，步骤(1)中所述加热的温度为740～760℃。

优选的，步骤(1)中所述搅拌时间为3～5min。

优选的，步骤(4)中所述热挤压的温度为430℃，所述热挤压的挤压比为11:1。

优选的，步骤(5)中所述失效处理的温度为200℃，所述时效处理的时间为24h。

优选的，所述铸锭在步骤(4)中所述热挤压前还包括均匀化处理，所述均匀化处理的方法为：首先在所述铸锭外包覆石墨，然后以15～20℃的升温速度将所述铸锭升至540℃，恒温保温4h后随炉冷却。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在通过在Mg合金中添加Gd，Ag，Mn元素，形成具有高强韧性的Mg-Gd-Ag-Mn合金，Gd在镁合金中有很强的固溶强化和时效强化效果；Ag和Mn能细化晶粒，提高合金强度和韧性；通过固溶时效析出大量MgGd和MgAg颗粒；同时在高强韧性的基础上添加Ge元素，凝固过程中生成高弹性模量的Gd₅Ge₃相，且添加的Ge与合金的空位有很强的相互作用，结合能力强：当时效温度为200℃时，有利于空位的扩散，释放了Ge对空位的钉扎，有利于过饱和固溶体的分解，使时效响应速率加快，强化效果增大，使Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金在高强韧的同时，其弹性模量也得到提高。

2、本发明的镁合金具有好的综合力学性能，其最大的强度可达到423MPa，最高的弹性模量可达51GPa,与纯镁相比，其强度提高了264％，弹性模量提高了26％，可满足工程领域对高强高模量镁合金材料的要求，进一步扩大镁合金在航空航天领域中应用。

3、本发明在镁合金中添加元素Gd，Ag，Mn，Ge，一方面通过合金化在镁合金中析出高模量第二相Gd₅Ge₃，使Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金模量得到增强，另一方面大量MgGd和MgAg相的析出使Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金强度得到进一步提高，并通过均匀化，热挤压，时效处理工艺来实现镁合金的高强高模性能。

4、本发明公开了一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的制备方法，采用的原料均为常规元素，所用设备均为通用的常规设备，操作便捷，设计合理，流程简单，提高了镁合金的生产效率，适宜于镁合金的工业化生产。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1是实施例1制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的SEM微观组织图；

图2是实施例2制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的SEM微观组织图；

图3是对比实施例1制备的Mg-Gd-Ag-Mn镁合金的SEM微观组织图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

制备一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金，其中镁合金的质量百分比组成为：10％的Gd、1.5％的Ag、0.2％的Mn、3.5％的Ge、总含量在0.02％以下的杂质元素、余量为Mg，其制备方法如下：

(1)称取纯镁锭、纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金、Mg_0.97Mn_0.03中间合金为原料进行按照需要制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的质量百分比进行配比，先将纯镁锭放入常规电阻炉坩埚中，通入体积比为1:99的CO₂气体与SF₆气体作为保护气体，加热至750℃使加入的纯镁锭完全熔化，然后依次加入纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金和Mg_0.97Mn_0.03中间合金，继续加热直至完全融化，搅拌混合均匀，然后加热至740℃后进行表面打渣，静置12min待用；

(2)首先将铁模预热到300℃，然后将步骤(1)中静置后的溶体浇铸到铁模中，水冷形成铸锭；

(3)将步骤(3)得到的铸锭进行机加工成Φ80cm*120cm的圆柱体，备用；

(4)首先将步骤(3)中机加工形成的铸锭进行均匀化处理(在铸锭外包覆石墨，然后以15℃的升温速度升至540℃下恒温保温4h后随炉冷却)，然后在390～410℃下预热1.5h，在430℃下按照11:1的挤压比进行热挤压，最后经过空冷得到挤压棒材；

(5)将步骤(4)得到的挤压棒材在热处理炉中进行时效处理，时效温度为200℃，保温时间为24h，然后水冷至室温，即可得到高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金。

实施例2：

制备一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金，其中镁合金的质量百分比组成为：10％的Gd、1.5％的Ag、0.2％的Mn、1.5％的Ge、总含量在0.02％以下的杂质元素、余量为Mg，其制备方法如下：

(1)称取纯镁锭、纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金、Mg_0.97Mn_0.03中间合金为原料进行按照需要制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的质量百分比进行配比，先将纯镁锭放入常规电阻炉坩埚中，通入体积比为1:99的CO₂气体与SF₆气体作为保护气体，加热至750℃使加入的纯镁锭完全熔化，然后依次加入纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金和Mg_0.97Mn_0.03中间合金，继续加热直至完全融化，搅拌混合均匀，然后加热至740℃后进行表面打渣，静置12min待用；

(2)首先将铁模预热到300℃，然后将步骤(1)中静置后的溶体浇铸到铁模中，水冷形成铸锭；

(3)将步骤(3)得到的铸锭进行机加工成Φ80cm*120cm的圆柱体，备用；

(4)首先将步骤(3)中机加工形成的铸锭进行均匀化处理(在铸锭外包覆石墨，然后以15℃的升温速度升至540℃下恒温保温4h后随炉冷却)，然后在390～410℃下预热1.5h，在430℃下按照11:1的挤压比进行热挤压，最后经过空冷得到挤压棒材；

(5)将步骤(4)得到的挤压棒材在热处理炉中进行时效处理，时效温度为200℃，保温时间为24h，然后水冷至室温，即可得到高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金。

实施例3

制备一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金，其中镁合金的质量百分比组成为：11％的Gd、2％的Ag、0.3％的Mn、2％的Ge、总含量在0.02％以下的杂质元素、余量为Mg，其制备方法如下：

(1)称取纯镁锭、纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金、Mg_0.97Mn_0.03中间合金为原料进行按照需要制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的质量百分比进行配比，先将纯镁锭放入常规电阻炉坩埚中，通入体积比为1:99的CO₂气体与SF₆气体作为保护气体，加热至760℃使加入的纯镁锭完全熔化，然后依次加入纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金和Mg_0.97Mn_0.03中间合金，继续加热直至完全融化，搅拌混合均匀，然后加热至740℃后进行表面打渣，静置10min待用；

(2)首先将铁模预热到300～310℃，然后将步骤(1)中静置后的溶体浇铸到铁模中，水冷形成铸锭；

(3)将步骤(3)得到的铸锭进行机加工成Φ80cm*120cm的圆柱体，备用；

(4)首先将步骤(3)中机加工形成的铸锭进行均匀化处理(在铸锭外包覆石墨，然后以20℃的升温速度升至540℃下恒温保温4h后随炉冷却)，然后在3410℃下预热2h，在430℃下按照11:1的挤压比进行热挤压，最后经过空冷得到挤压棒材；

(5)将步骤(4)得到的挤压棒材在热处理炉中进行时效处理，时效温度为200℃，保温时间为24h，然后水冷至室温，即可得到高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金。

实施例4

制备一种高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金，其中镁合金的质量百分比组成为：9％的Gd、1％的Ag、0.15％的Mn、1.5％的Ge、总含量在0.02％以下的杂质元素、余量为Mg，其制备方法如下：

(1)称取纯镁锭、纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金、Mg_0.97Mn_0.03中间合金为原料进行按照需要制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的质量百分比进行配比，先将纯镁锭放入常规电阻炉坩埚中，通入体积比为1:99的CO₂气体与SF₆气体作为保护气体，加热至760℃使加入的纯镁锭完全熔化，然后依次加入纯银片、纯锗锭、Mg_0.7Gd_0.3中间合金和Mg_0.97Mn_0.03中间合金，继续加热直至完全融化，搅拌混合均匀，然后加热至740℃后进行表面打渣，静置10～15min待用；

(2)首先将铁模预热到310℃，然后将步骤(1)中静置后的溶体浇铸到铁模中，水冷形成铸锭；

(3)将步骤(3)得到的铸锭进行机加工成Φ80cm*120cm的圆柱体，备用；

(4)首先将步骤(3)中机加工形成的铸锭进行均匀化处理(在铸锭外包覆石墨，然后以18℃的升温速度升至540℃下恒温保温4h后随炉冷却)，然后在400℃下预热2h，在430℃下按照11:1的挤压比进行热挤压，最后经过空冷得到挤压棒材；

(5)将步骤(4)得到的挤压棒材在热处理炉中进行时效处理，时效温度为200℃，保温时间为24h，然后水冷至室温，即可得到高强高模量Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金。

对比实施例1

制备一种镁合金，其中镁合金的质量百分比组成为：10％的Gd、1.5％的Ag、0.2％的Mn、总含量在0.02％以下的杂质元素，余量为Mg，制备方法与实施例1相同。

性能检测：

1、微观组织检测：

实施例1制备的镁合金的SEM微观组织如图1所示，实施例2制备的镁合金的SEM微观组织如图2所示.对比实施例1制备的镁合金的SEM微观组织如图3所示。

从图1～3的对比情况可以看出：挤压过程中随着Ge含量的上升，晶粒逐渐细化，其主要原因是Ge的加入使形核中心增加，从而提高形核率，达到细化晶粒的作用；另外也是由于在挤压过程中发生动态再结晶，形成可以钉扎晶界、细化晶粒的MgAg、MgGd和Gd₅Ge₃硬质颗粒，随着Ge含量的增加，第二相数量增加，其细化效果也更加明显。

2、力学性能测试：

对实施1、实施例2、对比实施例1中制备的镁合金和纯镁进行包括抗拉强度、屈服强度、伸长率的力学性能测试以及弹性模量的测试，其相应的测试结果如表1为所示。

表1力学性能和弹性模量测试结果

由表1可知，实施例1制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金棒材抗拉强度、屈服强度、伸长率和弹性模量分别为423.4±4.5MPa、346.3±2.8MPa、10±0.6、51±0.5；实施例2制备的Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金棒材抗拉强度、屈服强度、伸长率和弹性模量分别为414.1±3.1MPa、332.5±2MPa、10.1±1％、50±0.1GPa；对比例1制备的Mg-Gd-Ag-Mn镁合金棒材的抗拉强度、屈服强度、伸长率和弹性模量分别为373.8±1.8MPa、306.7±0.9MPa、10.4±0.26％、43±0.08GPa；纯镁的抗拉强度、屈服强度、伸长率和弹性模量分别为115±4MPa、25±2MPa、6.0±0.4、41.1±0.5。

本实施例1～2制备的挤压态Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的抗拉强度、屈服强度和模量模量均明显高于纯镁，强度提高了约264％，弹性模量提高了约26％；与对比实施例1相比，强度提高了12％，模量提高了17％。由此可见，Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金模量的提高主要由于Ge元素的加入，生成的高模量Gd₅Ge₃相能极大的提高合金整体的弹性模量；Ge元素与空位有很强的相互作用，结合能力强，当时效温度200℃，有利于空位的扩散，释放了Ge对空位的钉扎，有利于过饱和固溶体的分解，时效响应速率加快，强化效果增大，促进了Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金强度的提高。本实施例中添加的Gd元素有固溶强化和时效强化效果；Ag和Mn元素能细化晶粒，提高合金的强度和韧性；通过固溶时效析出大量MgGd和MgAg颗粒，沉淀强化有效的提高Mg-Gd-Ag-Mn-Ge镁合金的强度。本实施例制备的高强高模量镁合金抗拉强度可达414～423MPa，屈服强度可达333～346MPa，伸长率可达10-10.1％，弹性模量可达50～51GPa，满足了工程领域对轻质高强高模量镁合金材料的需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。