本发明涉及镁合金领域，具体领域为一种添加sn、zn、al和ce元素的高强度镁合金及其制备方法。
背景技术：
镁合金具有密度低、来源广泛、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在航空航天、汽车、轨道交通、电子行业等对轻量化要求很高的领域有着广泛的潜在应用前景。目前来看，限制镁合金应用的一大难题是其强度偏低，难以满足工程应用的要求，因此，开发新型高强度镁合金具有非常重要的价值。
mg-sn-zn-al系镁合金具有成本低、抗蠕变性能较好等优点，被认为是一种有发展前景的高温镁合金系列。mg-sn-zn-al系合金主要由α-mg、mg2sn相和mg32(al,zn)49相组成。由于mg2sn相具有高熔点和高硬度的性质。一方面mg2sn相在基体中作为硬质相，可提高合金的强度；另一方面mg2sn相钉扎在晶界，阻碍晶界扩散，细化组织，提高合金强度。zn元素的加入能够改善合金的铸造性能，同时与mg、al形成强化相；al是镁合金中有效的强化剂，al的加入能够有效提高合金的硬度。
稀土元素是该系列镁合金有效的强化元素，研究表明，稀土元素单独添加或混合添加对于该系列镁合金的强度及耐热性有一定的提升作用。chaubey等人研究发现，添加ce到mg-zn-al系合金中，其与基体形成的al4ce强化相，对提高合金力学性能有显著效果。同时，al4ce相的形成消耗了部分al元素，所以热稳定差的mg32(al,zn)49相数量减少，增强了合金的耐热性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金及其制备方法，通过向mg-sn-zn-al合金中加入一定质量的ce元素，提高合金力学性能，并提高合金的热稳定性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金，组分包括：4～8wt.％sn，2～4wt.％zn，2～4wt.％al，0.5～2wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量小于0.02wt.％，余量为mg。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金，组分包括4wt.％sn，2wt.％zn，2wt.％al，0.5wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.01wt.％，mg为91.49wt.％。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金，组分包括6wt.％sn，3wt.％zn，3wt.％al，1wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.015wt.％，mg为86.985wt.％。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金，组分包括8wt.％sn，4wt.％zn，4wt.％al，2wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.018wt.％，mg为81.982wt.％。
本发明任一所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，分为熔炼和热处理工艺两个阶段：其中，
熔炼工艺步骤如下：
(1)烘料：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金，然后将上述所有原料分别于180～250℃烘干3小时以上；
(2)熔mg：将烘干后的所述纯mg放入坩埚电阻炉中熔化形成镁液；
(3)加sn和zn：当所述镁液的温度达到700～740℃时，向所述镁液中加入纯sn，待所述纯sn熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯zn；
(4)加al和ce：待所述纯zn完全熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯al；待所述纯al熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯mg-ce中间合金；
(5)铸造：待熔体温度回升至730～750℃时，保温10～20分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，其中，纯mg-ce中间合金中ce占25wt.％。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，其中，热处理工艺为：将得到的所述镁合金锭在450～470℃温度下进行18～24小时的固溶，水淬；对固溶处理后的镁合金锭进行200℃×4～6h或150℃×8～12h的时效处理，得到高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，其中，所述熔炼工艺工序在sf6和co2混合气体保护条件下进行。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，其中，所述熔炼工艺的步骤(5)中浇铸用钢制模具预先加热至180～250℃。
本发明所述的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，其中，所述热处理工艺中的固溶处理在含硫气氛保护下进行。
本发明采用sn为第一组分，sn的加入能够与mg形成mg2sn相，一方面mg2sn相在基体中作为硬质相，可提高合金的强度；另一方面mg2sn相钉扎在晶界，阻碍晶界扩散，细化组织，提高合金强度；本发明采用zn为第二组分，zn元素的加入能够改善合金的铸造性能，同时与mg、al形成强化相；本发明采用al为第三组分，al是镁合金中有效的强化剂，al的加入能够有效提高合金的硬度；本发明采用ce为第四组分，ce的加入能够与基体形成的al4ce强化相，对提高合金力学性能有显著效果。同时，al4ce相的形成消耗了部分al元素，所以热稳定差的mg32(al,zn)49相数量减少，增强了合金的耐热性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过向mg-sn-zn-al合金中添加ce元素，将具有高热稳定性的强化相引入镁锡合金基体中，同时较少了热稳定性差的mg32(al,zn)49相的数量，起到强化作用；
(2)本发明通过向mg-sn-zn-al合金中添加ce元素，细化了镁锡合金铸态组织，发挥了细晶强化的效果，进一步提高了镁锡合金的力学性能；
(3)本发明获得了能够满足不同需求的高强度镁锡合金，尤其满足了对于轻质高强材料的需求；
(4)本发明的制备工艺操作简单、方便。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金，组分包括：4～8wt.％sn，2～4wt.％zn，2～4wt.％al，0.5～2wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量小于0.02wt.％，余量为mg。
高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法，分为熔炼和热处理工艺两个阶段：其中，
熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，步骤如下：
(1)烘料：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金，然后将上述所有原料分别于180～250℃烘干3小时以上；
(2)熔mg：将烘干后的所述纯mg放入坩埚电阻炉中熔化形成镁液；
(3)加sn和zn：当所述镁液的温度达到700～740℃时，向所述镁液中加入纯sn，待所述纯sn熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯zn；
(4)加al和ce：待所述纯zn完全熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯al；待所述纯al熔化后，熔体温度回升至700～740℃时加入纯mg-ce中间合金；其中，纯mg-ce中间合金中ce占25wt.％；
(5)铸造：待熔体温度回升至730～750℃时，保温10～20分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭。其中，浇铸用钢制模具预先加热至180～250℃。
热处理工艺为：将得到的所述镁合金锭在450～470℃温度下进行18～24小时的固溶，水淬；对固溶处理后的镁合金锭进行200℃×4～6h或150℃×8～12h的时效处理，得到高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金。其中，固溶处理在含硫气氛保护下进行。
实施例2
高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的组分及其质量百分比为：4wt.％sn，2wt.％zn，2wt.％al，0.5wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.01wt.％，mg为91.49wt.％。(wt.％是指组分占所配置的合金总质量的百分比，该总重量为mg、sn、zn、al和mg-ce中间合金的质量和)。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法为：
首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到180℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到700℃后，加入4wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至700℃时，往镁液中直接加入2wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至700℃时加入2wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至700℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占0.5wt.％。待熔体温度回升至750℃时保温10分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至180℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在450℃温度下进行18小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行150℃×8h的时效处理，得到高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度187mpa，抗拉强度264mpa，延伸率13.2％。
实施例3
高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的组分及其质量百分比为：6wt.％sn，3wt.％zn，3wt.％al，1wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.015wt.％，mg为86.985wt.％。(wt.％是指组分占所配置的合金总质量的百分比，该总重量为mg、sn、zn、al和mg-ce中间合金的质量和)。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法为：
首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到200℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到720℃后，加入6wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至720℃时，往镁液中直接加入3wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入3wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占1wt.％。待熔体温度回升至740℃时保温15分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至200℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在450℃温度下进行24小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行150℃×12h的时效处理，得到高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度192mpa，抗拉强度270mpa，延伸率14.1％。
实施例4
高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的组分及其质量百分比为：8wt.％sn，4wt.％zn，4wt.％al，2wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.018wt.％，mg为81.982wt.％。(wt.％是指组分占所配置的合金总质量的百分比，该总重量为mg、sn、zn、al和mg-ce中间合金的质量和)。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的制备方法为：
首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到250℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到740℃后，加入8wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至740℃时，往镁液中直接加入4wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至740℃时加入4wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占2wt.％。待熔体温度回升至750℃时保温15分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至250℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在470℃温度下进行12小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行200℃×6h的时效处理，得到高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该高强度mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度209mpa，抗拉强度280mpa，延伸率9.2％。
为突出本发明的有益效果，例举以下对比例实验。
对比例1
一种mg-sn-zn-al-ce镁合金，其组分及其质量百分比为：4wt.％sn，2wt.％zn，2wt.％al，0.1wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.01wt.％，mg为91.89wt.％。
其制备方法为：首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到250℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到740℃后，加入4wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至740℃时，往镁液中直接加入2wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至740℃时加入2wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占0.1wt.％。待熔体温度回升至750℃时保温15分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至250℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在450℃温度下进行18小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行200℃×6h的时效处理，得到mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度150mpa，抗拉强度230mpa，延伸率5.1％。
对比例2
一种mg-sn-zn-al-ce镁合金，其组分为及其质量百分比为：8wt.％sn，4wt.％zn，4wt.％al，3wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.018wt.％，mg为80.982wt.％。
其制备方法为：
首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到200℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到720℃后，加入8wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至720℃时，往镁液中直接加入4wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入4wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至720℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占3wt.％。待熔体温度回升至740℃时保温15分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至200℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在450℃温度下进行24小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行150℃×12h的时效处理，得到mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度130mpa，抗拉强度260mpa，延伸率6％。
对比例3
一种mg-sn-zn-al-ce镁合金，其组分为及其质量百分比为：6wt.％sn，3wt.％zn，3wt.％al，2.5wt.％ce，杂质元素si、fe、cu和ni的总量为0.025wt.％，mg为85.475wt.％。
其制备方法为：
首先，进行熔炼工艺，整个熔炼工艺在sf6和co2混合气体保护条件下进行，具体为：分别称取纯mg、纯sn、纯zn、纯al、mg-ce中间合金。然后，将上述所有原料分别预热3小时以上达到180℃以进行烘干。将烘干后的纯mg放入有sf6/co2气体保护的坩埚电阻炉中熔化。当镁液温度达到700℃后，加入6wt.％的纯sn。待纯sn熔化后熔体温度回升至700℃时，往镁液中直接加入3wt.％的纯zn。待纯zn完全熔化后熔体温度回升至700℃时加入3wt.％的纯al。待纯al完全熔化后熔体温度回升至700℃时加入mg-ce中间合金，该中间合金为mg-25wt.％ce，即mg-25wt.％ce中间合金中ce占25wt.％，使ce最后在制备的mg-sn-zn-al-ce镁合金的总质量中占2.5wt.％。待熔体温度回升至750℃时保温10分钟，撇去表面浮渣并浇铸镁合金锭，此处浇铸用的钢制模具需要预先加热至180℃。
随后进行热处理工艺工序为：将得到的所述镁合金锭在450℃温度下进行16小时的固溶，水淬。对固溶处理后的镁合金锭进行150℃×10h的时效处理，得到mg-sn-zn-al-ce镁合金。
该mg-sn-zn-al-ce镁合金t6态的室温力学性能为：
屈服强度142mpa，抗拉强度230mpa，延伸率6.2％。
通过将实施例2-4与对比例1-3制备的mg-sn-zn-al-ce镁合金的力学性能对比可知，实施例2-4的镁合金性能远远优于对比例1-3的镁合金性能，尤其以实施例3的性能最佳。而当ce超出0.5～2wt.％或者杂质元素大于0.02wt.％时，制得的mg-sn-zn-al-ce镁合金的力学性能将大大降低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。