一种具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金及制备方法
阅读说明：本技术 一种具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金及制备方法 (High-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy with LPSO phase and SFs structure 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：本发明公开了一种具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金及制备方法,按重量百分含量计,包括如下组分：Er 6.0％-7.0％、Y 6.0％-7.0％、Cu 0.3％-0.4％,Zr 0.1％-0.2％,余量为Mg。制备过程包括：选材、熔炼、固溶处理、挤压变形、时效热处理。本发明的高强高塑耐热镁合金通过调控LPSO相和层错结构(SFs)的分布,提高了强度和塑性,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 a high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy with LPSO phase and SFs structure and a preparation method thereof, wherein the high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy comprises the following components in percentage by weight: 6.0 to 7.0 percent of Er, 6.0 to 7.0 percent of Y, 0.3 to 0.4 percent of Cu, 0.1 to 0.2 percent of Zr and the balance of Mg. The preparation process comprises the following steps: selecting materials, smelting, solution treatment, extrusion deformation and aging heat treatment. The high-strength high-plasticity heat-resistant magnesium alloy improves the strength and plasticity by regulating and controlling the distribution of LPSO phase and Stacking Fault Structures (SFs), 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，具体涉及一种具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金及制备方法。
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，本发明的目的在于提供一种具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金及制备方法，本发明的高强高塑耐热镁合金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。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具有LPSO相和SFs结构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 6.0％-7.0％、Y 6.0％-7.0％、Cu 0.3％-0.4％，Zr 0.1％-0.2％，余量为Mg。
优选的，按重量百分含量计，所述具有LPSO相和SFs结构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％、Ni含量≤0.04％、Fe含量≤0.04％。
优选的，所述具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金中含有α-Mg基体、Mg12Cu(Er,Y)相和Mg2Cu相。
本发明如上所述具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金的制备方法，包括如下过程：
按照所述具有LPSO相和SFs结构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；
对所述铸件进行固溶处理；
对进行了固溶处理的铸件进行挤压变形，得到棒材；
对所述棒材进行时效热处理，得到所述具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金。
优选的，熔炼时采用的原料为：工业纯镁锭、工业纯铜、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、695-705℃条件下，将工业纯镁锭完全熔化，再依次加入工业纯铜、Mg-30Y中间合金、Mg-30Er中间合金，待工工业纯铜、Mg-30Y中间合金、Mg-30Er中间合金全部熔化后再升温至745-755℃时，加入Mg-30Zr中间合金，待物料完全部熔化后进行浇注，得到所述铸件。
优选的，对所述铸件进行固溶处理的过程包：
将所述铸件在300-350℃下固溶处理8-10h，随后将马沸炉以3-5℃/min升温至400-450℃固溶处理4-6h，之后水冷至室温，固溶处理完成。
优选的，对进行了固溶处理的铸件进行挤压变形，得到棒材时：挤压温度为320-350℃，挤压比为23-25，挤压速度为2.0-2.2m/min，随后空冷，得到所述棒材。
优选的，对所述棒材进行时效热处理的过程包括：
对所述棒材于400-450℃保温25-35min，随后用85-95℃水淬火处理，之后将棒材于175-225℃下保温60-65h，保温结束后得到所述具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金中，Er和Cu元素是镁合金中形成LPSO相和SFs结构的重要元素，通过合理设计Er和Cu元素的比例，使得所述镁合金中含有大量的LPSO相和SFs结构(见图3)；并且Er的加入可以调节长周期有序结构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；Er、Y和Cu元素与镁基体形成Mg12Cu(Er,Y)相和Mg2Cu相(见图1)，其中Mg12Cu(Er,Y)相属于长周期堆垛结构(LPSO相)，其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；此外，Er的加入也能够有效调整合金中Mg2Cu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。本发明的具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金具备高的延伸率。室温下，其变形的棒材延伸率可以达到19％-22％，使得所述镁合金可以承受较大的塑性变形；同时，该镁合金具备较高的强度，屈服强度可达318-324MPa，抗拉强度可达374-386MPa。本发明的具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金性能优异，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3挤压+峰时效态合金的X-射线衍射谱；
图2是本发明实施例3铸态合金的显微组织；
图3是本发明实施例3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。
本发明具有LPSO相和SFs结构的高强高塑耐热镁合金中按重量百分含量计，包括如下组分：Er 6.0％-7.0％、Y 6.0％-7.0％、Cu 0.3％-0.4％，Zr 0.1％-0.2％，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、Ni、Fe单个含量≤0.04％。
本发明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和Cu元素是镁合金中形成LPSO相和SFs结构的重要元素，通过合理设计Er和Cu元素的比例，使得所述镁合金中含有大量的LPSO相和SFs结构(见图3)；并且Er的加入可以调节长周期有序结构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、挤压变形和时效处理过程中，Er、Y和Cu元素与镁基体形成Mg12Cu(Er,Y)相和Mg2Cu相(见图1)，其中Mg12Cu(Er,Y)相属于长周期堆垛结构(LPSO相)，其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；此外，Er的加入也能够有效调整合金中Mg2Cu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元素并经过相应的变形处理和热处理能够进一步提高Mg-RE-Cu系合金的力学性能，且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，可以达到同时获得高强高塑性的合金。
该具有LPSO相和SFs结构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、工业纯铜、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：按照元素重量百分含量Er 6.0％-7.0％、Y 6.0％-7.0％、Cu 0.3％-0.4％，Zr 0.1％-0.2％，余量为Mg，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇注成铸件；
c.固溶处理：为减少合金中成分偏析及非平衡凝固导致的微米级析出相的存在，保证合金的成分均匀，提高合金的力学性能，将所述铸件在300-350℃下固溶处理8-10h，随后将马沸炉以3-5℃/min升温至400-450℃固溶处理4-6h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温；
d.挤压变形：将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度为320-350℃，挤压比为23-25，挤压速度为2.0-2.2m/min，随后空冷，得到所述镁合金棒材；
e.时效热处理：由于合金挤压过程中存在动态析出过程，为提高合金的时效析出能力，对镁合金棒材进行400-450℃均匀化处理25-35min，随后用90±5℃热水淬火处理。将均匀化处理后的挤压试样进行时效处理，温度为175-225℃，时效时间为60-65h，达到挤压-峰时效态，随后水冷至室温。
本发明的具有LPSO相和SFs结构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。
实施例1：
本实施例的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比为：6.5％Er、6.0％Y、0.4％Cu，0.2％Zr，其余为Mg。
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至700±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Cu(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至750±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金。待中间合金加完全部熔化后，浇注到模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在300℃下固溶处理10h，随后将马沸炉以5℃/min升温至400℃固溶处理6h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温。
将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度350℃，挤压比为23，挤压速度为2.0m/min，随后空冷，得到镁合金棒材。
对镁合金棒材进行400℃均匀化处理25min，随后用90±5℃热水淬火处理。将所述棒材进行225℃时效处理60h后，得到挤压+峰时效的镁合金实施例1。
实施例2：
本实施例中的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比为：6.0％Er、7.0％Y、0.3％Cu，0.1％Zr，其余为Mg。
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至700±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Cu(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至750±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金。待中间合金加完全部熔化后，浇注到模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在350℃下固溶处理8h，随后将马沸炉以4℃/min升温至450℃固溶处理4h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温。
将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度330℃，挤压比为24，挤压速度为2.1m/min，随后空冷，得到镁合金棒材。
对镁合金棒材进行420℃均匀化处理30min，随后用90±5℃热水淬火处理。将所述棒材进行200℃时效处理63h后，得到挤压+峰时效的镁合金实施例2。
实施例3：
本实施例中的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比为：6.7％Er、6.8％Y、0.4％Cu，0.2％Zr，其余为Mg。
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至700±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Cu(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至750±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金。待中间合金加完全部熔化后，浇注到模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在330℃下固溶处理9h，随后将马沸炉以4℃/min升温至430℃固溶处理5h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温。
将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度400℃，挤压比为23，挤压速度为2.1m/min，随后空冷，得到镁合金棒材。
对镁合金棒材进行430℃均匀化处理32min，随后用90±5℃热水淬火处理。将所述棒材进行185℃时效处理65h后，得到挤压+峰时效的镁合金实施例3。
实施例4：
本实施例中的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比为：6.2％Er、6.5％Y、0.3％Cu，0.1％Zr，其余为Mg。
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至700±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Cu(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至750±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金。待中间合金加完全部熔化后，浇注到模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在320℃下固溶处理8h，随后将马沸炉以3℃/min升温至420℃固溶处理5h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温。
将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度370℃，挤压比为25，挤压速度为2.2m/min，随后空冷，得到镁合金棒材。
对镁合金棒材进行440℃均匀化处理32min，随后用90±5℃热水淬火处理。将所述棒材进行175℃时效处理64h后，得到挤压+峰时效的镁合金实施例4。
实施例5：
本实施例中的高强高塑耐热镁合金，按元素重量百分比为：7.0％Er、6.0％Y、0.3％Cu，0.1％Zr，其余为Mg。
在高频电磁感应熔炼炉中，加入纯Mg块(99.9wt.％)，炉温升至700±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Cu(99.9wt.％)、Mg-30Y(wt.％)中间合金、Mg-30Er(wt.％)中间合金，炉温升至750±5℃时，加入Mg-30Zr(wt.％)中间合金。待中间合金加完全部熔化后，浇注到模具中浇铸成合金铸锭。
将铸件在340℃下固溶处理8h，随后将马沸炉1.5h升温至440℃固溶处理4h，将双级固溶处理后的样品水冷至室温。
将固溶处理后的铸件挤压变形，挤压温度370℃，挤压比为24，挤压速度为2.1m/min，随后空冷，得到镁合金棒材。
对镁合金棒材进行450℃均匀化处理35min，随后用90±5℃热水淬火处理。将所述棒材进行200℃时效处理60h后，得到挤压+峰时效的镁合金实施例5。
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，结果如表1所示：
表1
由表可知，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19％-22％，且抗拉强度达到374-386MPa，屈服强度达到318-324MPa，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。
图1是实施例3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Mg12Cu(Er,Y)相(即LPSO相)和Mg2Cu相。
图2是实施例3铸态合金的显微组织。
图3是实施例3挤压+峰时效态合金的显微组织。结合图3分析，本发明制得的合金具有晶界LPSO相和晶内长周期堆垛有序结构和SFs结构。
本发明在长周期有序结构增强Mg-Y-Cu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-Cu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/或SFs结构的形成与分布，实现对于合金微观组织结构的控制，达到调控镁合金室温及高温力学性能的目的。
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。
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