高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金及其制备方法
【专利摘要】高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金及其制备方法，它涉及一种合金及其制备方法。本发明是为了解决现有的方法制备的合金中稀土含量较高的技术问题。本发明合金由Zn、Y、Gd、Zr和Mg组成。制备方法：称取原料，将纯镁加入到坩埚内，并将坩埚加热，然后向坩埚内通入CO2和SF6的混合气体进行保护；纯镁完全融化后，依次加入其他原料；制备铸锭；将铸锭均匀化处理再挤压，在时效温度保温，冷却，即得。本发明的稀土总含量低于6wt％，通过提高锌含量和Zn/RE原子比获得稳定准晶相和长周期有序结构相(LPSO)，本发明合金的拉抗强度大于500MPa，延伸率大于5％。本发明属于合金的制备领域。
【专利说明】高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，具有比强度和比弹性模量高、阻尼 吸震降噪性能优越、铸造成型性好、易于回收利用等优点，被誉为"21世纪绿色结构材料"， 具有广泛的应用前景。近年来，镁及其合金作为轻质结构材料引起了广泛的关注。其中， 稀土镁合金具有优异的室温力学性能和耐热性能，尤其是含有大量Gd和Y的高稀土含量 变形镁合金具有超高强高韧性，其抗拉强度高于500MPa，拉伸延伸率高于5% (Effect of ageing treatment on the microstructure, texture and mechanical properties of extruded Mg-8. 2Gd-3. 8Y-lZn-〇. 4Zr (wt. % ) alloy ；一种超高强稀土镁合金板材及其制备 方法-发明专利审定授权说明书CN201110331370)。但这些超高强Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中 稀土含量均高于12wt%，导致合金的成本太高，限制了这些超高强镁合金的大规模商业应 用。因此，开发低成本超高强镁合金对拓宽镁合金的商业应用具有重要意义。在Mg-Zn-RE 中，当镁合金中的Zn/RE质量比例低于0. 6时，在常规铸造条件下就可以生成周期堆垛有序 结构（LPS0)，可显著提高合金的强度和韧性，可采用常规铸造和变形工艺制备出屈服强度 大于450MPa，抗拉强度大于550MPa的变形镁合金，但合金中的稀土含量均高于12 %，显著 增加了合金成本。另一方面，当合金中的Zn/Y原子比提高到4之后，合金中会形成稳定的 二十面体准晶相（I-Phase)，这种准晶相也是镁合金的有效强化相，可导致镁合金的强度和 韧性显著提高，但其强化效果有限，抗拉强度一般均在400MPa以下，此系列合金中的稀土 含量较低，合金成本相对较低。因此开发稀土含量低于6wt%、超高强高韧（抗拉强度大于 500MPa、延伸率大于5% )的低成本超高强耐热镁合金是目前超高强镁合金研发的一个挑 战。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有的方法制备的合金中稀土含量较高的技术问题，提 供了一种高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金及其制备方法。
[0004] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金按照质量百分比由8-12 % Zn、1-6 % Y、1-6 % Gd、0. 3-0. 7% Zr和余量的Mg组成。
[0005] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法如下：
[0006] 一、按照质量百分比 8-12% Zn、l-6% Y、l-6% Gd、0· 3-0. 7% Zr 和余量的 Mg 的比 例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0007] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0008] 三、将纯镁加入到坩埚内，并将坩埚加热至760°C，然后向坩埚内通入C02和SF 6的 混合气体进行保护；
[0009] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0010] 五、在co2和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度降 至720°C，除去熔融合金表面的浮渣，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷射 冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，在大量水蒸气的作用下， 铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0011] 六、将铸锭在400-500°C下均匀化处理16-24小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤 压温度290°C -410°C、挤压比为8-24的条件下，在挤压机上以5-20cm/min挤压速率进行挤 压，得到挤压态合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C _225°C的条件下保温16-32小 时，在空气中冷却后，即得高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0012] 本发明主要针对现有技术的不足，开发一种低成本Mg-Zn-Y-Gd-Zr高强镁合金， 其稀土总含量低于6wt%，通过提高锌含量和Zn/RE原子比获得稳定准晶相和长周期有序 结构相（LPS0)，通过准晶相、LPS0相和纳米析出相的复合强韧化显著提高合金的力学性 能，合金的拉抗强度大于500MPa，延伸率大于5%。
[0013] 本发明中原料Zn以纯Zn添加，Y以Mg-30wt. % Y中间合金形式添加，Gd以 Mg-30wt. % Gd中间合金形式添加，Zr以Mg-25% Zr中间合金形式添加，Mg采用的是工业 用纯镁。
[0014] 准晶和长周期有序相（LPS0)相均是镁合金中的重要强韧化相，但这两种相通常 不会同时生成，本发明通过控制Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金Zn元素和稀土元素的含量和比例，最 大限度地减少稀土元素含量，开发了一种准晶和LPS0相和其它纳米析出相复合强化的低 成本高Zn含量超高强韧镁合金，推进高性能镁合金在高【技术领域】的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是实验一得到的Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的形貌分析图，图中I表示准晶相，W表 不共晶相，LPS0表不长周期有序相；
[0016] 图2是实验二得到的Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的形貌分析图，图中I表示准晶相，W表 不共晶相，LPS0表不长周期有序相；
[0017] 图3是实验三得到的Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的形貌分析图，图中I表示准晶相，W表 不共晶相，LPS0表不长周期有序相；
[0018] 图4是实验四得到的Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的形貌分析图，图中I表示准晶相；
[0019] 图5是图1中LPS0相在透射电镜下的形貌图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的 任意组合。
【具体实施方式】 [0021] 一：本实施方式高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金按照质量百分比 由 8-12% Zn、l-6% Y、l-6% Gd、0. 3-0. 7% Zr 和余量的 Mg 组成。
【具体实施方式】 [0022] 二：本实施方式与一不同的是高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 8. 12% Zn、5. 95% Y、1. 01 % Gd、0. 31 % Zr 和余量的 Mg组成。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0023] 三：本实施方式与一或二之一不同的是高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 10. 06% Ζη、4· 75% Y、L 32% Gd、0. 46% Zr 和余量 的Mg组成。其它与一或二之一相同。
【具体实施方式】 [0024] 四：本实施方式与一至三之一不同的是高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 10. 76% Ζη、3· 16% Υ、3· 01% Gd、0. 45% Zr 和余量 的Mg组成。其它与一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0025] 五：本实施方式与一至四之一不同的是高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 11. 59% Ζη、1· 16% Υ、4· 76% Gd、0. 68% Zr 和余量 的Mg组成。其它与一至四之一相同。
【具体实施方式】 [0026] 六：一中所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制 备方法如下：
[0027] 一、按照质量百分比 8-12% Zn、l-6% Y、l-6% Gd、0. 3-0. 7% Zr 和余量的 Mg 的比 例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0028] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0029] 三、将纯镁加入到坩埚内，并将坩埚加热至760°C，然后向坩埚内通入C02和SF6的 混合气体进行保护；
[0030] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0031] 五、在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度降 至720°C，除去熔融合金表面的浮渣，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷射 冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，在大量水蒸气的作用下， 铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0032] 六、将铸锭在400-500°C下均匀化处理16-24小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤 压温度290°C -410°C、挤压比为8-24的条件下，在挤压机上以5-20cm/min挤压速率进行挤 压，得到挤压态合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C _225°C的条件下保温16-32小 时，在空气中冷却后，即得高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0033] 本实施方式中步骤二中所述速干性高温润滑脱模剂购自韩国NABAKEM公司生产 的BN SPRAY，超干性超高温用白色润滑脱模剂。
【具体实施方式】 [0034] 七：本实施方式与六不同的是步骤一中所述Mg-Y中 间合金中Y的质量百分含量为30%，Mg-Gd中间合金中Gd的质量百分含量为25%，Mg-Zr 中间合金中Zr的质量百分含量为25%。其它与六相同。
【具体实施方式】 [0035] 八：本实施方式与六或七不同的是步骤三和步骤五中 所述C0 2和SF6的混合气体中S F6体积含量为10%。其它与六或七相同。
【具体实施方式】 [0036] 九：本实施方式与六至八之一不同的是步骤一中按照 质量百分比由10. 06% Zn、4. 75% Y、l. 32% Gd、0. 46% Zr和余量Mg的比例称取纯镁、纯锌、 Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金。其它与六至八之一相同。
【具体实施方式】 [0037] 十：本实施方式与六至九之一不同的是步骤一中按照 质量百分比由10. 76% Zn、3. 16% Y、3. 01 % Gd、0. 55% Zr和余量Mg的比例称取纯镁、纯锌、 Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金。其它与六至九之一相同。
[0038] 采用下述实验验证本发明效果：
[0039] 实验一：
[0040] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法如下：
[0041] 一、按照质量百分比由 8. 12% Ζη、5· 95% Υ、1· 01% Gd、0. 31% Zr 和余量 Mg 的比 例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0042] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0043] 三、将加入到坩埚内，并将坩埚加热至720°C，然后向坩埚内通入C02和SF 6的混合 气体进行保护；
[0044] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0045] 五、在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度降 至700°C，除去熔融合金表面的渣子，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷射 冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，在大量水蒸气的作用下， 铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0046] 六、将铸锭在400°C下均匀化处理16小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤压温度 300°C ±10°C、挤压比为8的条件下，在挤压机上以5cm/min挤压速率进行挤压，得到挤压态 合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C的条件下保温16小时，在空气中冷却后，即得高 强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0047] 实验二：
[0048] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法如下：
[0049] 一、按照质量百分比由 10. 06% Ζη、4· 75% Υ、1· 32% Gd、0. 46% Zr 和余量 Mg 的比 例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0050] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0051] 三、将加入到坩埚内，并将坩埚加热至720°C，然后向坩埚内通入C02和SF 6的混合 气体进行保护；
[0052] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0053] 五、在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度 降至700°C，除去熔融合金表面的渣子，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷 射冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，，在大量水蒸气的作用 下，铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0054] 六、将铸锭在400°C下均匀化处理16小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤压温度 300°C ±10°C、挤压比为8的条件下，在挤压机上以5cm/min挤压速率进行挤压，得到挤压态 合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C的条件下保温16小时，在空气中冷却后，即得高 强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0055] 实验三：
[0056] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法如下：
[0057] 一、按照质量百分比由 10. 76% Ζη、3· 16% Υ、3· 01% Gd、0. 55% Zr 和余量的 Mg 的 比例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0058] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0059] 三、将加入到坩埚内，并将坩埚加热至720°C，然后向坩埚内通入C02和SF6的混合 气体进行保护；
[0060] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0061] 五、在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度 降至700°C，除去熔融合金表面的渣子，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷 射冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，，在大量水蒸气的作用 下，铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0062] 六、将铸锭在400°C下均匀化处理16小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤压温度 300°C ±10°C、挤压比为8的条件下，在挤压机上以5cm/min挤压速率进行挤压，得到挤压态 合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C的条件下保温16小时，在空气中冷却后，即得高 强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0063] 实验四：
[0064] 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法如下：
[0065] 一、按照质量百分比由 11. 59% Ζη、1· 16% Υ、4· 76% Gd、0. 68% Zr 和余量的 Mg 的 比例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金；
[0066] 二、将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂；
[0067] 三、将加入到坩埚内，并将坩埚加热至720°C，然后向坩埚内通入C02和SF 6的混合 气体进行保护；
[0068] 四、纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间 合金；
[0069] 五、在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度 降至700°C，除去熔融合金表面的渣子，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷 射冷却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，，在大量水蒸气的作用 下，铸锭脱离坩埚，最后取出铸锭；
[0070] 六、将铸锭在400°C下均匀化处理16小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤压温度 300°C ±10°C、挤压比为8的条件下，在挤压机上以5cm/min挤压速率进行挤压，得到挤压态 合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C的条件下保温16小时，在空气中冷却后，即得高 强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
[0071] 实验一至实验四所得高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的力学性能如表1所示。
[0072] 表 1
[0073]
【权利要求】
1. 高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金，其特征在于高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金 按照质量百分比由8-12% Zn、l-6% Y、l-6% Gd、0. 3-0. 7% Zr和余量的Mg组成。
2. 根据权利要求1所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金，其特征在于高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 8. 12% Zn、5. 95% Y、l. 01% Gd、0. 31% Zr 和余量的 Mg组成。
3. 根据权利要求1所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金，其特征在于高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 10.06% Ζη、4· 75 % Y、L 32 % Gd、0. 46 % Zr 和余量 的Mg组成。
4. 根据权利要求1所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金，其特征在于高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 10. 76% Ζη、3· 16% Υ、3· 01% Gd、0. 45% Zr 和余量 的Mg组成。
5. 根据权利要求1所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金，其特征在于高强度高韧性 Mg-Zn-Y-Gd-Zr 合金按照质量百分比由 11. 59% Ζη、1· 16% Υ、4· 76% Gd、0. 68% Zr 和余量 的Mg组成。
6. 权利要求1所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法，其特征在于它的制 备方法如下： 一、 按照质量百分比8-12% Zn、l-6% Y、l-6% Gd、0. 3-0. 7% Zr和余量的Mg的比例称 取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金； 二、 将低碳钢坩埚预热到300°C，然后在坩埚内壁喷上速干性高温润滑脱模剂； 三、 将纯镁加入到坩埚内，并将坩埚加热至760°C，然后向坩埚内通入C02和SF6的混合 气体进行保护； 四、 纯镁完全融化后，依次加入纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合 金； 五、 在C02和SF6的混合气体进行保护的条件下，静置二十分钟后，除渣并将温度降至 720°C，除去熔融合金表面的浮渣，然后将坩埚以220mm/min的速率下降并通过环形喷射冷 却系统进行冷却，待合金表面凝固之后将坩埚完全浸没在水中，在大量水蒸气的作用下，铸 锭脱离坩埚，最后取出铸锭； 六、 将铸锭在400-500°C下均匀化处理16-24小时，再将均匀化处理后的铸锭在挤压温 度290°C -410°C、挤压比为8-24的条件下，在挤压机上以5-20cm/min挤压速率进行挤压， 得到挤压态合金，然后将挤压态合金在时效温度175°C _225°C的条件下保温16-32小时，在 空气中冷却后，即得高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金。
7. 根据权利要求6所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法，其特征在于步 骤一中所述Mg-Y中间合金中Y的质量百分含量为30%，Mg-Gd中间合金中Gd的质量百分 含量为25%，Mg-Zr中间合金中Zr的质量百分含量为25%。
8. 根据权利要求6所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法，其特征在于步 骤三和步骤五中所述C02和SF 6的混合气体中S F6体积含量为10%。
9. 根据权利要求6、7或8所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法，其特征 在于步骤一中按照质量百分比由10. 06% Zn、4. 75% Y、l. 32% Gd、0. 46% Zr和余量Mg的 比例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金。
10.根据权利要求6、7或8所述高强度高韧性Mg-Zn-Y-Gd-Zr合金的制备方法，其特征 在于步骤一中按照质量百分比由10. 76% Zn、3. 16% Y、3. 01% Gd、0. 55% Zr和余量Mg的 比例称取纯镁、纯锌、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金和Mg-Zr中间合金。
【文档编号】C22F1/06GK104152770SQ201410461083
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】郑明毅, 姜汉斯, 乔晓光, 池元清, 吴昆
申请人:哈尔滨工业大学