一种兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高稀土含量镁合金，特别涉及一种兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金被誉为最轻的金属结构材料，对汽车、3C和航空航天等设备减重有不可替代的左右。除此之外镁合金还具有电磁屏蔽性好，减震性好等优点，在航空航天等领域有广泛的应用前景。

目前，重大装备与新型号产品对镁合金材料在室温和高温下的性能均提出更高的要求。在镁合金有良好室温性能的同时，需要镁合金在较高的温度下具有良好的强度和塑性。现有稀土镁合金，Gd含量为5-9％，Y含量为1-3％，通过变形及热处理后，室温强度可达400MPa左右。但这类稀土镁合金在250℃以上温度下的强度均大幅下降。已经很难满足要求，极大限制了镁合金的应用。因此，亟需发展一类兼具室温和高温强度的镁合金材料。

增加稀土的含量是提高镁合金高温力学性能的有效途径。经检索，中国专利“一种耐热稀土镁合金及其不均匀壁厚铸件的热处理工艺”(专利号CN201610074516.X)，其设计了一种耐热稀土镁合金，所述耐热镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：Y 3.4～3.8；Nd 2.6～3.0；Ag 0.5～0.6；Zr 0.4～0.5；Gd 0.3～0.4，其余为Mg及不可去除的杂质元素；其采用的工艺为：将耐热稀土镁合金不均匀壁厚铸件加热至530～540℃，保温固溶后，以≥90℃/min的速度冷却至室温，然后，加热至220～230℃，保温进行人工时效后，出炉空冷。所得产品的室温抗拉强度可为343MPa，延伸率为6.2％，200℃下抗拉强度可为257MPa，延伸率为11.2％。中国专利“一种耐热铸造镁合金材料热处理方法”(CN201811041410.5)，此专利通过设计连续均匀化和多级时效处理，其实施例中Mg-10.5Gd-2.5Y-1.5Nd-0.1Zn-0.5Zr合金室温抗拉强度365MPa，延伸率为4.5％，300℃时抗拉强度为225MPa，延伸率为18％。显然，稀土含量的增多提升镁合金的高温性能。但当Gd含量大于10％时，第二相增多，镁合金室温的塑性急剧降低，难以加工成板带材。而且，这些合金的室温强度仍然不高，未能通过形变热处理发挥该类合金的潜力。

发明内容

为了解决普通镁合金室温和高温强度较低的问题，为了调和高稀土含量下，镁合金室温韧性和强度难以做到同步提升的不足；本发明设计添加大量的Gd和少量的Y配合适量的Zr、Ag和Nd元素，经优化后，首次得到了在稀土含量大于12％、室温抗拉强度大于420MPa延伸率大于5％且高温力学性能优异的变形稀土镁合金板材。该合金可以满足现有以及将来一段时间内航空航天、汽车等领域对高强耐热镁合金的要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd：8～12％，Y：1～3％，Zr：0.01～0.5％，Ag：0.01～0.5％，Nd：0.01～0.5％。稀土元素总含量(质量分数)≥10％；杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，杂质元素总含量不超过0.1％，其余为Mg；所述镁合金为经过变形处理的镁合金。

作为优选，所述镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd：8.0～11.5％，Y：1～2.5％，Zr：0.35～0.5％，Ag：0.4～0.5％，Nd：0.35～0.5％。稀土元素总含量(质量分数)≥10％；杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，杂质元素总含量不超过0.1％，其余为Mg。

作为进一步的优选，所述镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd:11～11.5％、Y：2～2.5％、Zr：0.35～0.4％、Ag：0.4～0.5％、Nd：0.35～0.4％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

作为更进一步的优选，所述镁合金，由如下按质量百分比计的成分组成：Gd:11.4％、Y：2.24％、Zr：0.37％、Ag：0.5％、Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

本发明一种兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金的制备方法，包括下述步骤：步骤一合金熔铸

按设计组分配取各原料；然后采用熔铸工艺，得到铸坯；

步骤二 均匀化处理

将所得铸坯在置于加热炉中，升温到315～325℃、优选为320℃并保温10～12h，随后升温到495～505℃、优选为500℃并保温10～12h进行均匀化退火后水淬；得到均匀化处理后的坯料；

步骤三 热轧

将加热炉升温到440-500℃，待温度稳定20～40min、优选为25～35min后，将均匀化处理后的坯料放到加热炉中保温20-40min，随后开始轧制，每道次下压量为9～10％，每道次轧制后返回炉内保温5～10min后继续下一道次轧制，当总下压量达到30-65％后水淬；得到热轧板材；

步骤四 时效处理

将热轧板材加热至200-250℃，保温，进行时效处理，即得到兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金板材。

作为优选，本发明一种兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金的制备方法，所述合金熔铸为：

按设计组分，加入镁，随后升温至760～775℃，然后再加入Mg-Gd、Mg-Y和银，等到完全融化后加入Mg-Zr和Mg-Nd，保温25～35min后在745～755℃下精炼；精炼完毕后静置30～40min，最后浇入模具中；整个熔炼过程在SF

本发明的加热炉包括电阻炉。

其中Mg-Gd可为Mg-30Gd，当然其他的Mg-Gd合金或Mg-Gd中间合金或Mg-Gd预合金也可用于本发明。

其中Mg-Y可为Mg-30Y，当然其他Mg-Y合金或Mg-Y中间合金或Mg-Y预合金也可用于本发明。

其中Mg-Zr可为Mg-20Zr，当然其他Mg-Zr合金或Mg-Zr中间合金或Mg-Zr预合金也可用于本发明。

其中Mg-Nd可为Mg-20Nd，当然其他Mg-Nd合金或Mg-Nd中间合金或Mg-Nd预合金也可用于本发明。

至于银元素，可以用纯银和/或含有零价银的对应物质。

本发明进行分阶段均匀化，先在300-350℃低温下对合金铸件预热10-14h，待合金内外温度相同时，随炉升温到500±10℃保温10-14h。可以避免由于长时间高温保温使晶粒尺寸异常张大，也可避免突然升到高温导致铸件内外存在较大温差，图2为双级均匀化处理和单级均匀化处理力学性能。

作为优选，将加热炉升温到455-465℃，待温度稳定25～35min后，将均匀化处理后的坯料放到加热炉中保温20-40min，随后开始轧制，每道次下压量为9～10％，每道次轧制后返回炉内保温5～10min后继续下一道次轧制，当总下压量达到45-55％后水淬；得到热轧板材。

作为优选，将热轧板材加热至200-250℃，保温14～18h，进行时效处理，即得到兼顾室温和高温强度的高稀土元素含量镁合金板材。

作为进一步的优选，将热轧板材加热至220-230℃，保温14～18h进行时效处理。

本发明所开发的材料和工艺在室温下具有优异的延伸率和力学强度。同时针对不同使用温度区间以及性能的要求，可以选择不同的工艺。如本发明的产品在300摄氏度时，可以有41％及以上的延伸率。如本发明的产品在300摄氏度时还有220MPa以上的抗拉强度和20％以上的延伸率。如本发明的产品在250摄氏度时还有330MPa以上的强度和11％以上的延伸率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明所的合金室温下抗拉强度可超过420MPa、优化后可达450MPa以上，延伸率可超过5.0％、优选为大于8％。优化后300℃高温抗拉强度大于200MPa，延伸率大于20％。

(2)本发明中添加Zr元素可以细化铸态合金的晶粒尺寸，Nd和Ag元素可以提高合金的室温和高温强度。

(3)本发明中多道次轧制变形可以降低合金的基面织构，引入大量再结晶和变形晶粒，显著提高合金的力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的铸态合金的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1的双级均匀化退火后的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1中双级均匀化和单级均匀化金相组织图。

图4为本发明实施例1中铸态合金和均匀化退火合金的室温应力-应变曲线。

图5为本发明实施例1中峰时效态合金的室温和高温应力-应变曲线。

图6为对比例1中稀土镁合金板材严重横向裂纹照片。

图7为对比例2中稀土镁合金板材热轧中异常开裂照片。

具体实施方式

以下结合具体成分合金对本发明做进一步说明

实例1

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:11.4％,Y：2.24％，Zr：0.37，Ag：0.5％，Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到460℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温30min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温5min，当总下压量达到50％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温15h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

本实例合金经过T5+轧制处理后，室温抗拉强度为483MPa，断后延伸率为8.3％，200℃下抗拉强度为420MPa，断后延伸率为6.1％，250℃下抗拉强度为339MPa，断后延伸率为12.9％，300℃下抗拉强度为223MPa，断后延伸率为20.7％。

实例2

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:11.4％,Y：2.37％，Zr：0.37，Ag：0.5％，Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到460℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温30min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温5min，当总下压量达到40％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温17h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

本实例合金经过T5+轧制处理后，室温抗拉强度为431MPa，断后延伸率为3.3％，200℃下抗拉强度为402MPa，断后延伸率为5.3％，250℃下抗拉强度为330MPa，断后延伸率为11.2％，300℃下抗拉强度为185MPa，断后延伸率为19.7％。

对比例1

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:11.4％,Y：2.37％，Zr：0.37％，Ag：0.5％，Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到460℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温30min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温5min，当总下压量达到65％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温11h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

由于变形量过大，合金表面可见明显横向裂纹，无法测试合金力学性能(图5)。

对比例2

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:11.4％,Y：2.37％，Zr：0.37％，Ag：0.5％，Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到400℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温30min，随后开始轧制，每道次下压量为10％。第一道次合金开裂，无法后续加工。

(4)力学性能

合金板材开裂，无法测试力学性能(图6)。

实施例3

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:8.1％,Y：2.0 7％，Zr：0.41，Ag：0.5％，Nd：0.5％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到450℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温40min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温10min，当总下压量达到50％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温15h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

本实例合金经过T5+轧制处理后，室温抗拉强度为425MPa，断后延伸率为9.3％，200℃下抗拉强度为350MPa，断后延伸率为8.3％，250℃下抗拉强度为212MPa，断后延伸率为21.7％，300℃下抗拉强度为132MPa，断后延伸率为57.9％。

实施例4

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:10.1％,Y：1.98％，Zr：0.5％，Ag：0.42％，Nd：0.49％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到460℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温40min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温10min，当总下压量达到50％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温17h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

本实例合金经过T5+轧制处理后，室温抗拉强度为456MPa，断后延伸率为9.0％，200℃下抗拉强度为389MPa，断后延伸率为7.9％，250℃下抗拉强度为253MPa，断后延伸率为14.5％，300℃下抗拉强度为176MPa，断后延伸率为41.2％。

实施例5

(1)合金成分

合金成分为(质量分数)为：Gd:11.4％,Y：2.37％，Zr：0.37％，Ag：0.5％，Nd：0.39％，杂质元素Al≤0.01％，Fe≤0.04％，Mn≤0.02％，其余为Mg。

(2)合金熔铸

将称重后的合金放在烘干箱中，烘干箱温度设置为150℃。然后加入纯镁，随后升温至770℃左右，加入Mg-30Gd、Mg-30Y和纯银，等到完全融化后加入Mg-20Zr和Mg-20Nd，保温30min后在750℃下精炼，精炼完毕后静置30～40min，最后浇入钢模。整个熔炼过程在SF6保护气氛下进行，铸造下拉速度2～10cm/min。合金成分满足上述成分要求。

(3)合金形变热处理

①均匀化退火处理。将上述铸锭置于电阻炉中升温到320℃并保温12h，随后升温到500℃并保温12h后水冷淬火。

②热轧。将电阻炉升温到500℃，等温度稳定30min后将均匀化退火后合金置于电阻炉中保温20min，随后开始轧制，每道次下压量为10％，每道次结束后在电阻炉中保温10min，当总下压量达到50％后，立刻水冷淬火。

③时效处理。将电阻炉升温到225℃，随后将淬火的板材置于电阻炉中保温15h。即可得到高强耐热稀土镁合金。

(4)力学性能

本实例合金经过T5+轧制处理后，室温抗拉强度为432MPa，断后延伸率为5.1％，200℃下抗拉强度为395MPa，断后延伸率为4.5％，250℃下抗拉强度为281MPa，断后延伸率为9.8％，300℃下抗拉强度为174MPa，断后延伸率为16.3％。

表1实施例和对比例所得产品的性能