一种含Er的高强高塑耐热镁合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种含Er的高强高塑耐热镁合金及其制备方法 (Er-containing high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy and preparation method thereof ) 是由 房大庆 孟琪明 李苏植 张晓茹 丁向东 孙军 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含Er的高强高塑耐热镁合金及其制备方法,按重量百分含量计,包括如下组分：Er 8.0％-9.0％、Y 3.0％-4.0％、Zn 0.5％-0.6％,Zr 0.4％-0.5％,余量为Mg。该含Er的高强高塑耐热镁合金的制备方法,包括步骤：选材、熔炼、均匀化处理、挤压变形、时效热处理。本发明的含Er的高强高塑耐热镁合金具备高的延伸率,可以承受较大的塑性变形,可应用于航空航天、汽车及军事武器等高技术领域中的高强高塑耐热结构件。(The invention discloses an Er-containing high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy and a preparation method thereof, wherein the Er-containing high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy comprises the following components in percentage by weight: 8.0 to 9.0 percent of Er, 3.0 to 4.0 percent of Y, 0.5 to 0.6 percent of Zn, 0.4 to 0.5 percent of Zr and the balance of Mg. The preparation method of the Er-containing high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy comprises the following steps: selecting materials, smelting, homogenizing, extruding and deforming, and carrying out aging heat treatment. The Er-containing high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy has high elongation, can bear large plastic deformation, and can be applied to high-strength high-plasticity heat-resistant structural members in the high technical fields of aerospace, automobiles, military weapons and the like.)
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种含Er的高强高塑耐热镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是迄今为止最轻的金属结构材料，其密度仅相当于铝的2/3，钢的1/4，而且其拥有很高的比强度与比刚度。此外，镁合金还具有良好的阻尼性、切削加工性和导热性以及易回收、再生等诸多优异的性能，使其应用领域日益扩大。
通常情况下，传统镁合金强度的增加往往会伴随塑性的下降，因此很难同时获得高强度和高塑性的镁合金。主要原因是镁合金滑移系个数有限，在室温下难以激活非基面滑移。另外，合金中第二相粒子的存在，加剧位错堆积，提高合金强度的同时，也促使裂纹萌生，降低合金塑性。因此，开发高塑性、高强度的镁合金将成为镁合金研究工作的重点。
发明内容
为了解决现有技术中镁合金存在的问题，本发明提供了一种含Er的高强高塑耐热镁合金及其制备方法，本发明含Er的高强高塑耐热镁合金是一种同时具有高塑性、高强度的耐热镁合金，具有良好的使用性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种含Er的高强高塑耐热镁合金，按重量百分含量计，包括如下组分：Er 8.0％-9.0％、Y 3.0％-4.0％、Zn 0.5％-0.6％，Zr 0.4％-0.5％，余量为Mg。
优选的，按重量百分含量计，所述含Er的高强高塑耐热镁合金中不可避免的杂质的总量≤0.10％。
优选的，按重量百分含量计，不可避免的杂质中，Al含量≤0.04％、Si含量≤0.04％、Cu含量≤0.04％、Fe含量≤0.04％。
优选的，所述含Er的高强高塑耐热镁合金中含有α-Mg基体、Mg12Zn(Er,Y)相和Mg24(Er，Y,Zn)5相。
本发明如上所述含Er的高强高塑耐热镁合金的制备方法，包括如下过程：
按所述含Er的高强高塑耐热镁合金的组成，将原料进行熔炼、浇铸，得到铸件；
将铸件进行均匀化处理；
将均匀化处理后的铸件挤压变形，得到棒材；
对棒材进行时效热处理，得到所述含Er的高强高塑耐热镁合金。
优选的：制备铸件时，采用的原料为：工业纯镁锭、工业纯锌、Mg-30Y中间合金、Mg-30Er中间合金和Mg-30Zr中间合金。
优选的：制备铸件时，在保护气体保护、745-755℃条件下，将工业纯镁锭完全熔化，再依次加入工业纯锌、Mg-30Y中间合金和Mg-30Er中间合金，待工业纯锌、Mg-30Y中间合金和Mg-30Er中间合金全部熔化后再升温至775-785℃时，加入Mg-30Zr中间合金，待物料完全部熔化后，保温15-20min，之后再进行浇注，得到所述铸件。
加入Mg-30Zr中间合金后，除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。
优选的，将铸件进行均匀化处理的过程包括：
将所述铸件在500-550℃下保温10-12h，均匀化处理完成。
优选的，将均匀化处理后的铸件挤压变形，得到棒材时：
挤压温度为350-400℃，挤压比为33-35，挤压速度为0.1-0.3mm/s，随后空冷，得到所述棒材。
优选的，对棒材进行时效热处理，得到所述含Er的高强高塑耐热镁合金时，将棒材加热至200-250℃，保温55-60h，随后水冷至室温，得到所述含Er的高强高塑耐热镁合金。
本发明具有如下有益效果：
本发明含Er的高强高塑耐热镁合金中，Er原子的加入可以调节长周期有序结构相的含量及其在镁合金中的分布，这种析出相可以阻止基面位错滑移，提高了合金的强度；Er与镁有相近的原子半径，在Mg基体中加入Er能够起到很好的固溶强化效果；Er、Y和Zn元素与镁基体形成Mg12Zn(Er,Y)相和Mg24(Er,Y,Zn)5相(见图1)，其中Mg12Zn(Er,Y)相又称为长周期堆垛结构(LPSO相)，LPSO相与镁基体相是共格关系，这会阻碍裂纹萌生，会提高合金的塑性；Er的加入也能够有效调整合金中Mg24(Er,Y,Zn)5相及其分布，这些第二相呈细小颗粒状弥散分布于镁基体中，具有阻碍位错滑移的作用，同时能有效促进动态再结晶，阻碍晶粒长大，得到非常细小的再结晶晶粒。因此Er的加入能够有效调控合金力学性能。终上所述，加入Er元素并经过相应的热处理能够进一步提高Mg-RE-Zn系合金的力学性能，可以达到同时获得高强高塑性的合金。本发明含Er的高强高塑耐热镁合金室温下屈服强度达到306-314MPa，抗拉强度达到353-361MPa，延伸率达到22％-25％；200℃下屈服强度达到264-270MPa，抗拉强度达到328-331MPa，延伸率达到31％-36％。综上，本发明含Er的高强高塑耐热镁合金是一种同时具有高塑性、高强度的耐热镁合金，可以承受较大的塑性变形，可应用于航空航天、汽车及军事武器等高技术领域中的高强高塑耐热结构件。
附图说明
图1是本发明实施例1挤压+峰时效态合金的X-射线衍射谱；
图2是本发明实施例1铸态合金的显微组织；
图3是本发明实施例1挤压+峰时效态合金的显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明含Er的高强高塑耐热镁合金，按重量百分含量计，包括如下组分：Er8.0％-9.0％、Y 3.0-4.0％、Zn 0.5％-0.6％，Zr 0.4％-0.5％，余量为Mg，还含有一些不可避免的杂质，这些杂质有原料以及加工工艺中带入，将不可避免的杂质的总质量控制在≤0.10％，且不可避免的杂质中，Al、Si、Cu、Fe单个含量≤0.04％。
本发明含Er的高强高塑耐热镁合金的制备方法，包括如下步骤：
a.选材：按照元素重量百分含量选取原材料，所述原材料为工业纯镁锭、工业纯锌、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金和Mg-30Zr(wt.％)中间合金；
b.熔炼：按照发明含Er的高强高塑耐热镁合金的元素组成进行称取原料，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇注成铸件；
c.均匀化处理：将所述铸件在500-550℃下均匀化热处理10-12h；
d.挤压变形：将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度350-400℃，挤压比为33-35，挤压速度为0.1-0.3mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材；
e.时效热处理：温度为200-250℃，时效时间为55-60h时达到挤压-峰时效态，随后水冷至室温，得到所述含Er的高强高塑耐热镁合金。
本发明的含Er的高强高塑耐热镁合金可以应用于航空航天、汽车及军事武器等高技术领域中的高强高塑耐热结构件。
本发明的含Er的高强高塑耐热镁合金的力学性能会显著提升，原因主要是以下几方面：首先，Er原子的加入可以调节长周期有序结构相的含量及其在镁合金中的分布，这种析出相可以阻止基面位错滑移，提高了合金的强度；其次，Er与镁有相近的原子半径，在Mg基体中加入Er能够起到很好的固溶强化效果；再次，在合金冶炼、时效处理过程中，Er、Y和Zn元素与镁基体形成Mg12Zn(Er,Y)相和Mg24(Er,Y,Zn)5相(见图1)，其中Mg12Zn(Er,Y)相又称为长周期堆垛结构(LPSO相)，LPSO相与镁基体相是共格关系，这会阻碍裂纹萌生，会提高合金的塑性；同时铸态中呈树枝晶状的LPSO相(见图2)，经挤压变形后发生扭折(见图3)，证明LPSO相协调基体变形的能力很强，塑性较好，可以随着基体的弯曲变形而协调发生较大角度的弯曲变形，其可以通过协调基体的塑性变形进而改善合金的强度和塑性。此外，Er的加入也能够有效调整合金中Mg24(Er,Y,Zn)5相及其分布，这些第二相呈细小颗粒状弥散分布于镁基体中，具有阻碍位错滑移的作用，同时能有效促进动态再结晶，阻碍晶粒长大，得到非常细小的再结晶晶粒。因此Er的加入能够有效调控合金力学性能。终上所述，加入Er元素并经过相应的热处理能够进一步提高Mg-RE-Zn系合金的力学性能，可以达到同时获得高强高塑性的合金。本发明进一步向镁合金中加入微量Zr元素，通过冶炼、挤压变形工艺使Zr以单质的形式弥散分布在镁基体中，起到细化晶粒的作用。
实施例1：
本实施例中的含Er的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比，包括如下组分：9.0％Er、4.0％Y、0.5％Zn，0.5％Zr，其余为Mg。
本实施例含Er的高强高塑耐热镁合金的制备过程如下：
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至750±5℃并通入SF6：CO2体积比为1：200的保护气体，待镁块完全融化后，撇去熔体表面浮渣，再依次加入纯Zn(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，待全部熔化后，炉温升至780±5℃时，加的Mg-30Zr(wt.％)中间合金，然后除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。待中间合金加完全部熔化后，保温15min，浇注到提前预热的模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在550℃下均匀化热处理10h。
将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度370℃，挤压比为33，挤压速度为0.2mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材。
将所述棒材进行250℃时效处理55h后，得到挤压+峰时效的镁合金棒材。
实施例2：
本实施例中的含Er的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比，包括如下组分：8.9％Er、4.0％Y、0.6％Zn，0.4％Zr，其余为Mg。
本实施例含Er的高强高塑耐热镁合金的制备过程如下：
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至750℃±5并通入SF6：CO2体积比为1：200的保护气体，待镁块完全融化后，撇去熔体表面浮渣，依次加入纯Zn(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，待全部熔化后，炉温升至780±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金，然后除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。待中间合金加完全部熔化后，保温16min，浇注到提前预热的模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在520℃下均匀化热处理12h。
将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度360℃，挤压比为35，挤压速度为0.1mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材。
将所述棒材进行240℃时效处理57h后，得到挤压+峰时效的镁合金棒材。
实施例3：
本实施例中的含Er的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比，包括如下组分：8.7％Er、4.0％Y、0.5％Zn，0.4％Zr，其余为Mg。
本实施例含Er的高强高塑耐热镁合金的制备过程如下：
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至750±5℃并通入SF6：CO2体积比为1：200的保护气体，待镁块完全融化后，撇去熔体表面浮渣，依次加入纯Zn(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至780±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金，然后除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。待中间合金加完全部熔化后，保温18min，浇注到提前预热的模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在500℃下均匀化热处理12h。
将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度350℃，挤压比为33，挤压速度为0.3mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材。
将所述棒材进行230℃时效处理58h后，得到挤压+峰时效的镁合金棒材。
实施例4：
本实施例中的含Er的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比，包括如下组分：8.8％Er、3.9％Y、0.6％Zn，0.5％Zr，其余为Mg。
本实施例含Er的高强高塑耐热镁合金的制备过程如下：
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至750±5℃并通入SF6：CO2体积比为1：200的保护气体，待镁块完全融化后，撇去熔体表面浮渣，依次加入纯Zn(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至780±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金，然后除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。待中间合金加完全部熔化后，保温20min，浇注到提前预热的模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在530℃下均匀化热处理11h。
将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度400℃，挤压比为35，挤压速度为0.2mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材。
将所述棒材进行200℃时效处理60h后，得到挤压+峰时效的镁合金棒材。
实施例5：
本实施例中的含Er的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比，包括如下组分：8.5％Er、3.0％Y、0.5％Zn，0.5％Zr，其余为Mg。
本实施例含Er的高强高塑耐热镁合金的制备过程如下：
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至750±5℃并通入SF6：CO2体积比为1：200的保护气体，待镁块完全融化后，撇去熔体表面浮渣，依次加入纯Zn(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至780±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金，然后除去熔体表面和坩埚壁上的熔渣。待中间合金加完全部熔化后，保温15min，浇注到提前预热的模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在510℃下均匀化热处理10h。
将均匀化处理后的铸件挤压变形，挤压温度380℃，挤压比为34，挤压速度为0.3mm/s，随后空冷，得到所述镁合金棒材。
将所述棒材进行250℃时效处理56h后，得到挤压+峰时效的镁合金棒材。
取实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所得棒材合金进行室温力学性能测试和200℃高温力学性能测试，结果如表1所示：
表1
实施例(室温)
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
延伸率/％
1(室温)
313.9
360.4
23.5
2(室温)
312.3
358.3
24.5
3(室温)
309.4
356.1
23.4
4(室温)
309.8
354.9
22.7
5(室温)
306.1
353.1
22.8
1(200℃)
265
330
35.9
2(200℃)
267.1
330.8
33.6
3(200℃)
269.7
328.7
34.1
4(200℃)
269.2
331.1
34.5
5(200℃)
264.4
329.9
31.5
由1表可知，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5的镁合金室温下延伸率达22.8％-24.5％，使得所述镁合金可以承受较大的塑性变形，且抗拉强度为353.1-360.4MPa，屈服强度为306.1-313.9MPa，强度较高；200℃下延伸率达31.5％-35.9％，且抗拉强度为328.7-331.1MPa，屈服强度为264.4-269.7MPa，可以看出本发明是一种强度和塑性均优异且耐高温的新型镁合金材料。本发明的镁合金材料制备方法简单，可用于工业化生产。本发明的含Er的高强高塑耐热镁合金中，加入Er元素并经过相应的热处理能够进一步提高Mg-RE-Zn系合金的力学性能，可以达到同时获得高强高塑性的合金；本发明向镁合金中加入微量Zr元素，通过冶炼、挤压变形工艺使Zr以单质的形式弥散分布在镁基体中，起到细化晶粒的作用。本发明的含Er的高强高塑耐热镁合金，可应用于航空航天、汽车及军事武器等高技术领域中的高强高塑耐热结构件。
图1是实施例1挤压+峰时效态合金的X-射线衍射谱，结合图1分析；所述合金除了α-Mg基体外，还有Mg12Zn(Er,Y)相和Mg24(Er,Y,Zn)5相。
图2是实施例1铸态合金的显微组织，结合图2分析，Mg12Zn(Er,Y)相在铸态中以树枝晶状分布在镁基体晶界处。
图3是实施例1挤压+峰时效态合金的显微组织，结合图3分析，Mg12Zn(Er,Y)相经挤压变形后发生扭折。
综上，本发明在长周期有序结构增强Mg-Y-Zn系镁合金力学性能的基础上，将Er元素加入镁合金替代Mg-Y-Zn系合金中部分Y元素，有效调控合金基体相中固溶原子含量，同时调整LPSO相组成与分布，起到调控镁合金力学性能的作用。通过设计元素含量和制备工艺。并通过均匀化处理、挤压变形、时效处理控制Er在基体相中的含量、长周期有序结构增强相类型、形貌及分布，从而实现对于合金微观组织结构的控制，达到同时提高镁合金的室温强度和塑形的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。