一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料及其制备工艺
阅读说明：本技术 一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料及其制备工艺 (High-strength AZ81 magnesium alloy material containing Ce-based misch metal and preparation process thereof ) 是由 祝向荣 李贺超 汤文瑄 王金敏 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料及其制备工艺。高强度AZ81镁合金材料的组分为：Al 7.5~8.0 wt%,Zn 0.5~0.7 wt％,Ce基混合稀土0.01~2.1 wt%,杂质元素<0.2 wt%,余量为Mg。镁合金制备方法涉及熔炼、热挤压以及T6热处理等工艺。混合稀土元素的添加增强了合金的固溶强化效应的同时,细化了合金的晶粒,由此形成了细晶强化效应；而通过热挤压和T6热处理工艺,在合金中析出含稀土元素的第二相,形成第二相强化效应。综合以上强化机制,合金的抗拉强度较未添加稀土元素的AZ81镁合金大为增加,最大提高到368 MPa,满足了合金在航空航天领域的使用要求。(The invention discloses a high-strength AZ81 magnesium alloy material containing Ce-based misch metal and a preparation process thereof, wherein the high-strength AZ81 magnesium alloy material comprises the following components of Al 7.5 ~.0 wt%, Zn 0.5 ~.7 wt%, Ce-based misch metal 0.01 ~.1 wt%, impurity elements less than 0.2 wt%, and the balance Mg. magnesium alloy preparation method relates to processes of smelting, hot extrusion, T6 heat treatment and the like, the addition of the misch metal enhances the solid solution strengthening effect of the alloy and simultaneously refines the crystal grains of the alloy, thereby forming a fine grain strengthening effect, and a second phase containing rare earth elements is precipitated in the alloy through the hot extrusion and T6 heat treatment processes to form a second phase strengthening effect.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体的说，涉及一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料及其制备工艺。
背景技术
镁合金作为最轻的工程金属材料，其密度小、比强度和比刚度高，同时具有良好的铸造性和切削加工性，在汽车减重和环保中的作用日益受到人们的重视。此外汽车仪表盘、座椅骨架、护栏、方向盘和转向柱等零部件的生产已经开始使用镁合金。虽然镁合金的应用途径较多，但我国镁生产厂家较多，规模较小，产品较为单一，且加工方式较为落后。
现有镁合金主要分为Mg-Al系、Mg-Zr系、Mg-RE系等，而在这些合金中，属于Mg-Al系的AZ81以其成本低、铸造性能优异的特点广为应用。但也存在冷加工能力差、成品率低、力学性能不够高的缺点，无法满足高强度镁合金制品的要求，因而限制了自身的应用。随着镁合金在3C及航空航天领域应用的不断推进，我国迫切需要自主研发应用于电子产品外壳、航空仪表外壳的高强度镁合金，且迫切需要提高镁合金的成品率。
发明内容
为了克服现有技术中AZ81镁合金强度较低的缺陷，本发明的目的在于提供一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料及其制备工艺。本发明通过在AZ81镁合金中添加少量Ce基混合稀土元素，大大提高AZ81镁合金的力学性能。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料，其由以下元素组成：Al 7.5～8.0wt％，Zn 0.5～0.7wt％，稀土元素RE 0.01～2.1wt％，杂质元素<0.2wt％，余量为Mg，总重量满足100％；其中：稀土元素RE中包括Ce、Y、Nd和La元素，Ce在稀土元素RE中的质量含量大于≥60％。
优选的，含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料由以下元素组成：Al 7.5～8.0wt％，Zn 0.5～0.7wt％，稀土元素RE 0.6～2.05wt％，杂质元素<0.2wt％，余量为Mg，总重量满足100％；
更优选的，含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金材料由以下元素组成：Al 7.5～8.0wt％，Zn 0.5～0.7wt％，稀土元素RE 1.2～1.8wt％，杂质元素<0.2wt％，余量为Mg，总重量满足100％。
本发明进一步提供一种根据上述的含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金的制备工艺，具体步骤如下：
(1)将AZ91合金、纯镁及Ce含量不低于60％的含Ce混合稀土混合熔炼，得到铸态合金；
(2)铸态合金去皮后，在400～450℃下进行热挤压成板材，挤压比为15～20，即得。
进一步的，在步骤(2)后还包括步骤(3)：在挤压板上切下适当长度的板材进行T6热处理，即在390～430℃的温度下固溶1～3小时，在170～190℃的温度下时效22～26小时，得到含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金。
和现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的镁合金中所用混合稀土含量在0.01～2.1wt％之间，含量较少，成本相对可控。
2、本发明的镁合金中由于加入混合稀土元素，合金晶粒得到细化，适量的第二相析出，在保持固溶强化效应的同时，起到了细晶强化和第二相强化的作用，能有效增加合金的抗拉强度，镁合金室温抗拉强度在320MPa以上，远远优于未掺杂稀土元素的AZ81镁合金。
3、本发明通过热处理工艺进一步提高合金的抗拉强度，镁合金室温抗拉强度最高为368MPa，远远高于目前商业化使用的AZ31镁合金，可满足航空航天对镁合金力学性能的要求。
附图说明
图1是AZ81-x wt.％RE的金相图((a),(b):x＝0.61wt.％；(c),(d):x＝1.22wt.％；(e),(f):x＝1.73wt.％；(g),(h):x＝2.02wt.％)；(a),(c),(e),(g):挤压态；(b),(d),(f),(h):T6热处理态。
图2是挤压态及T6热处理态AZ81-xY(x＝0,0.5,1.0,1.5,2.0wt.％)镁合金在室温下的抗拉强度变化。
具体实施方式
本发明中，采用Ce基混合稀土掺杂镁合金，Ce基混合稀土中的主要稀土元素为Ce，其余包括Y、Nd、La等稀土元素。
发明人研究发现，在AZ81镁合金中加入Ce基混合稀土元素后，其显微组织发生了明显的变化。最显著的特点就是晶粒明显的细化，并且在合金组织中，可以看到有短杆状的析出相产生并弥散分布。还可以析出Ce基高熔点化合物，这些化合物一方面阻碍了晶粒的生长，使晶粒进一步细化；另一方面，这些化合物为强化相，因此这导致了镁合金强度的提高。此外，Ce元素的加入也使得晶内析出相增多，可使镁合金更容易成形。
而关于混合稀土元素中的其它元素，Y元素对镁合金的强化主要通过固溶强化、弥散强化和细晶强化来实现，使镁合金在室温下的强度显著提高，同时也改善了镁合金的塑韧性。由于Y元素是高熔点的合金元素，当加入到镁合金中时，可增加合金的形核率，因此可细化晶粒，这在AZ81镁合金中尤为明显。同时，弥散的第二相粒子会在加入Y元素后析出，从而形成弥散强化。因此Y元素可提高镁合金的强度。
Nd元素对镁合金主要起到固溶强化的作用。少量的Nd元素可使AZ81镁合金晶粒明显细化，析出相明显的增多，起到弥散强化的作用。因此Nd元素也可以增加镁合金在室温下的强度。La元素可使AZ81镁合金的第二相呈现颗粒状分布和断续网状分布，同样可增强析出强化的效果。另外，由于La与Al反应生成了高熔点的、呈弥散分布的Al11La3相，不仅可强化镁合金基体，而且也可钉扎晶界和位错，使晶粒尺寸减小，提高了镁合金的强度。
由以上可知，在AZ81镁合金中加入少量Ce、Y等稀土元素可使镁合金的显微组织得到细化，力学性能得到显著改善。而镁合金中添加两种或两种以上稀土元素时，在一定的元素含量范围内，稀土元素之间相互影响其过饱和固溶体的沉淀析出，能产生附加的强化效果，从而提高合金的抗拉强度。因此，Ce基混合稀土作为高强度AZ81镁合金的掺杂元素是正确选择。此外，为了进一步提高合金的强度，还对合金进行了热处理。合金通过热处理后，可持续析出第二相并弥散分布，提高镁合金的力学性能。
下面结合附图和具体实施例以说明本发明的技术方案。
本发明采用如下工艺制备含Ce基混合稀土的高强度AZ81镁合金，包括了熔炼、热挤压和T6热处理等阶段。具体工艺为：
(1)熔炼材料选用市售AZ91镁合金、纯Mg(99.99％)、Ce基混合稀土(Ce含量≥60％)。
(2)准备炉料，将坩埚壁上的腐蚀物去除，所有原料、熔剂、模具等需要提前预热到300℃以上。连接保护气体装置，采用高纯惰性气体作为保护气体，熔炼时需要全程保护。熔炼过程中需要时刻控制温度，因此将热电偶放入坩埚中，实时检测合金液的温度。
(3)AZ91合金及纯镁置于熔炼炉中，升温至720～740℃后加入混合稀土，物料全部熔化后，搅拌3～5分钟，使合金元素分布均匀化。熔炼过程中有少许炉渣形成。清除炉渣后，将合金液温度调整至750～760℃，静置15分钟左右。
(4)静置结束后，合金液降温至700～720℃，然后由浇筑泵送入保温炉，经由与保温炉连通的结晶器后，再经水冷后，利用双轧辊挤压拉拔成型，得到铸态合金。由锯切机将铸态合金切成锭形。使用车床将铸态合金的氧化皮去除。
(5)将去皮后的铸态合金进行热挤压，得到板材，挤压温度为400～450℃，挤压比为15～20。将一部分板材分别直接制成金相样品和拉伸试样，进行显微组织的观察和力学性能测试。
(6)对另外一部分板材进行T6热处理(固溶处理+人工时效)，在温度390～430℃固溶1～3小时，在170～190℃下时效22～26小时。
表1显示出采用相同反应温度、反应时间的工艺参数制得的四种合金成分。图1分别显示了采用相同反应温度、反应时间的工艺参数制得的4种成分合金在热挤压和挤压后又进行T6热处理后样品的金相显微组织，合金标号分别为1#、2#、3#及4#。从表1可以看出，合金样品中Al元素的含量在7.5～8.0wt.％，Zn元素的含量在0.5～0.7wt.％，混合稀土的含量逐渐增加。图1中可以看出，随着混合稀土含量的增加，晶粒细化，析出相增加，而且T6热处理态合金的第二相析出多于挤压态合金。
表1含Ce基混合稀土AZ81成分
力学性能主要考查合金的延伸率和抗拉强度，通过室温拉伸试验进行。室温拉伸测试按照国标在WDW-100C电子万能试验机上进行，拉伸速率1mm/min。表2列出了在室温下，上述制备的掺混合稀土镁合金样品以及商业化AZ31、未掺稀土AZ81镁合金样品，在挤压态和T6热处理态下的力学性能数据。图2显示了各掺混合稀土镁合金和未掺稀土AZ81镁合金样品在挤压态和T6热处理态下的抗拉强度变化。
表2挤压态，T6热处理态AZ81-xRE合金、商业化AZ31镁合金的力学性能
从表2和图2可以看出，添加稀土元素的合金抗拉强度较未添加稀土的镁合金大大增加，当混合稀土的含量为1.73wt.％时(3#合金)，抗拉强度达到最大；而当混合稀土含量为2.02wt.％时(4#合金)，抗拉强度较3#合金有所降低，这是因为混合稀土含量过多，形成过多的含稀土第二相，容易割裂基体，降低了稀土元素细晶强化和固溶强化效应。此外还发现，合金经过T6热处理后，抗拉强度比挤压态的样品进一步提高。3#样品经T6热处理后抗拉强度最高，为368MPa，大大高于未加混合稀土的AZ81镁合金，也高于市场应用较广的AZ31镁合金，这能够满足航空航天对镁合金力学性能的要求。值得指出的是，随着合金中混合稀土元素含量的增加，延伸率呈下降趋势。