高强耐热变形镁合金及其制备方法与流程

本发明属于有色金属材料及其加工技术领域，具体涉及一种高强耐热变形镁合金及其制备方法。

背景技术：

镁合金作为目前最轻的结构材料，密度约为1.74～1.90g/cm³，仅为钢铁的1/4，铝合金的2/3。相比其他金属材料，镁合金具有高的比强度、比刚度，良好的切削加工性能、电磁防护特性、阻尼性能及导热性，而且易回收，在轻量化、节能、环保等诸多方面受到青睐。

根据加工方式的不同，镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金。铸造镁合金通常包含较多的铸造缺陷，如夹杂、缩孔缩松等，导致强度较低、塑性差，无法满足一些承力结构件的力学要求。变形镁合金是指通过挤压、轧制、锻造等塑性成型方式加工的镁合金，其可通过组织控制和热处理等方式来提升性能，获得比铸造镁合金更高的强度和塑性，更多样化的强韧配比来满足工程结构件的力学性能要求。

变形镁合金主要有以下体系：mg-al系、mg-zn系、mg-re系等。mg-al系是目前应用最广泛的体系，该系合金具有良好的铸造性能，室温强度高，可热处理强化。但是，因为该系合金主要强化相mg17al12相在高温时易粗化，从而导致该系合金的高温力学性能比较差。

大部分稀土在镁中具有一定的固溶度，能够产生良好的固溶强化效果。此外，稀土原子与镁原子能够形成热稳定性良好的第二相，且这种第二相在高温时比较稳定，能够有效钉扎位错和阻碍晶界滑移。因此，稀土在镁合金耐热改性方面已经获得了广泛的应用。但是，现有技术中的稀土镁合金热性能不够稳定，高温时强度下降较多，并且力学性能也有待提高。如英国we54的含钕的稀土镁合金，其成分为mg-5.1％y-3.2％re(1.5％～2％nd)-0.5％zr，该合金室温抗拉伸强度为280mpa，屈服强度为205mpa，延伸率为4％，250℃抗拉伸强度为230mpa，屈服强度为175mpa，延伸率为9％。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为解决现有技术中镁合金的高温力学性能比较差的技术问题，提高稀土镁合金的热性能、力学性能及稳定性，提供一种高强耐热变形镁合金及其制备方法。

本发明提供一种高强耐热变形镁合金，成分为：

7.0～9.0wt％的gd；

>0且≤4.0wt％的yb；

1.0～1.5wt％的zn；

0.4～0.6wt％的zr；

余量为mg及不可避免的杂质元素。

优选的是，所述高强耐热变形镁合金的成分为：

8.0wt％的gd；

3.0wt％的yb；

1.2wt％的zn；

0.5wt％的zr；

余量为mg及不可避免的杂质元素。

优选的是，所述不可避免的杂质元素为fe、cu、si、ni中的一种或多种，各杂质元素质量百分比要求为：fe≤0.005wt％，cu≤0.0005wt％，si≤0.005wt％，ni≤0.0005wt％。

本发明还提供上述高强耐热变形镁合金的制备方法，步骤如下：

步骤一、将镁源、锌源、钆源、镱源和锆源进行熔炼，得到合金液；

步骤二、将合金液降温后浇入模具中，得到铸件；

步骤二、将铸件挤压加工，得到高强耐热变形镁合金。

优选的是，所述步骤一中，镁源为镁锭，锌源为锌锭，钆源为钆锭和/或镁钆中间合金锭，镱源为镱锭和/或镁镱中间合金锭，锆源为锆锭和/或镁锆中间合金锭。

优选的是，所述步骤一中，镁源、锌源、钆源、镱源和锆源进行熔炼前，需去掉表面氧化层，并进行预热，预热温度为200～300℃。

优选的是，所述步骤一中，熔炼的方法为：

将容器加热后加入镁源，一次升温后依次加入锌源、钆源和镱源；

然后进行二次升温加入锆源，得到金属液；

将金属液除氢精炼，得到合金液。

更优选的是，所述步骤一中，熔炼的方法为：

将容器加热至500～600℃，在保护性气体的条件下，加入镁源，待镁源熔化后进行一次升温，一次升温的温度为720～740℃，依次加入锌源、钆源和镱源，待锌源、钆源和镱源熔化后，撇去表面浮渣，搅拌10～20min，然后进行二次升温，二次升温的温度为750～780℃，加入锆源，待锆源熔化后，在740～760℃，通入高纯氩气20～40s，加入熔剂，熔剂融入金属液后，静置40min以上；

所述熔剂的用量为镁源、锌源、钆源、镱源和锆源总质量的1.0～1.5％。

优选的是，所述步骤二中，降温温度为700～740℃；模具为水冷钢制模具；浇入模具前先撇去合金液表面浮渣；铸件为铸棒。

优选的是，所述步骤三中，挤压加工前，对铸件进行车削去除表面氧化层，挤压模具在挤压温度保温90min以上；挤压加工的温度为290～350℃；挤压加工的挤压比为4～7；挤压加工的保温时间为90～120min；挤压加工的挤压速度为0.1～0.2mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的高强耐热变形镁合金，以gd和yb为主要的合金元素，一方面可以提高过冷度，起到细化晶粒的作用，净化熔体，降低层错能，有效改善铸态合金的塑性，有利于后续的挤压加工；另一方面，在镁中同时加入不同族的稀土，可以降低彼此的固溶度，能够更好的发挥第二相强化效果；再一方面，稀土元素gd和yb与镁合金形成的mg3(gd,yb)、mg12(gd,yb)、mg12zn(gd,yb)具有相对高的熔点和良好的热稳定性，能够在高温条件下有效阻碍位错滑移和晶界滑动，进而显著提高合金的强度和耐热性能；加入少量的zn能够在晶界形成14h型的lpso相，可以阻止晶界高温下的滑移，提高合金的高温稳定性；微量zr加入促进形核；

经检测，本发明的高强耐热变形镁合金平均动态再结晶晶粒为1～2微米，破碎的第二相和动态析出相弥散分布在基体，室温下的屈服强度高于380mpa，250℃下屈服强度能够保持在300mpa左右。有望使用于服役温度高于250℃的承力结构件上。

2、本发明的高强耐热变形镁合金的制备方法工艺简单，无需特殊设备，适用于大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3的高强耐热变形镁合金的铸态金相组织。

图2为本发明实施例3的高强耐热变形镁合金在320℃挤压后得到的变形ebsd分析结果。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面对本发明的实施方案进行详细描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明的高强耐热变形镁合金，成分为：7.0～9.0wt％的gd、>0且≤4.0wt％的yb、1.0～1.5wt％的zn和0.4～0.6wt％的zr；余量为mg及不可避免的杂质元素。

本发明的高强耐热变形镁合金，在mg中加入少量的zn能够在晶界形成14h型的lpso相，可以阻止晶界高温下的滑移，提高合金的高温稳定性。加入微量zr促进形核。加入稀土元素gd和yb，一方面可以提高过冷度，起到细化晶粒的作用，净化熔体，降低层错能，有效改善铸态合金的塑性，有利于后续的挤压加工；另一方面可以降低彼此的固溶度，更好的发挥第二相强化效果，破碎的第二相和动态析出相弥散分布在基体；再一方面，稀土元素gd和yb与镁合金形成的mg3(gd,yb)、mg12(gd,yb)、mg12zn(gd,yb)具有相对高的熔点和良好的热稳定性，能够在高温条件下有效阻碍位错滑移和晶界滑动，进而显著提高合金的强度和耐热性能。

本发明中，gd的含量优选为7.5～8.5wt％，更优选为8.0wt％；yb的含量优选为0.1～4.0wt％，更优选为2.5～3.5wt％，尤其优选为3wt％；zn的含量优选为1.0～1.5wt％，更优选为1.2wt％；zr的含量优选为0.45～0.55wt％，更优选为0.5wt％。

本发明中，不可避免的杂质元素为fe、cu、si、ni中的一种或多种，各杂质元素质量百分比要求为：fe≤0.005wt％，cu≤0.0005wt％，si≤0.005wt％，ni≤0.0005wt％。

本发明的高强耐热变形镁合金的制备方法，步骤如下：

步骤一、将镁源、锌源、钆源、镱源和锆源进行熔炼，得到合金液；

步骤二、将合金液降温后浇入模具中，得到铸件；

步骤三、将铸件挤压加工，得到高强耐热变形镁合金。

本发明中，镁源、锌源、钆源、镱源和锆源的种类和来源没有特殊的限制，可采用本领域技术人员熟知的镁源、锌源、钆源、镱源和锆源。通常，镁源为镁锭，优选为含镁99.9wt％以上的纯镁锭；锌源为锌锭，优选为含锌99.9wt％以上的纯锌锭；钆源为钆锭和/或镁钆中间合金锭，优选含钆20％的镁钆中间合金锭；镱源为镱锭和/或镁镱中间合金锭，优选含镱20％的镁镱中间合金锭；锆源为锆锭和/或镁锆中间合金锭，优选含锆30％的镁锆中间合金锭。上述镁源、锌源、钆源、镱源和锆源皆可通过商购获得。在本发明中，镁源、锌源、钆源、镱源和锆源的用量能够使制备得到的高强耐热变形镁合金的成分为上述技术方案所述的成分即可。

本发明中，镁源、锌源、钆源、镱源和锆源进行熔炼前，需去掉表面氧化层，并进行预热。预热温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，尤其优选为240～260℃，最优选为250℃。

本发明中，熔炼的方法步骤如下：

步骤一、将容器加热后加入镁源，一次升温后依次加入锌源、钆源和镱源；

步骤二、进行二次升温加入锆源，得到金属液；

步骤三、将金属液进行除氢精炼，得到合金液。

上述步骤一中，容器的加热温度优选为500～600℃，更优选为530～570℃，尤其优选为545-550℃。

上述步骤一中，镁源优选在通入保护性气体的条件下加入，防止氧化。保护性气体优选为体积比为1:(180～220)的sf6和co2的混合气，优选体积比为1:200。

上述步骤一中，优选待镁源熔化后进行一次升温，一次升温的温度优选为720～740℃，优选为730℃。

上述步骤二中，优选待锌源、钆源和镱源熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌10～20min，优选15min后进行二次升温。二次升温的温度优选为750～780℃，优选为760℃

上述步骤三中，除氢精炼的方法为：在740-760℃，优选750℃下，向金属液中通入氩气后加入熔剂，搅拌至熔剂充分熔融后静置40min以上。其中，氩气为高纯氩气；氩气气流速度适当以液体不飞溅为准；氩气的通入时间优选为20～40s，更优选为30s。静置的时间优选为40～60min，更优选为50min。熔剂优选为6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.0％～1.5％；6号熔剂的成分包括kcl：54～56wt％，bacl2：14～16wt％，nacl：1.5～2.5wt％，cacl2：27～29wt％。熔剂可以采用边加边搅拌的方式。

本发明中，优选撇去合金液表面浮渣后，再浇入模具。

本发明中，铸件的形状没有特殊限制，通常为合金铸棒。

本发明中，浇铸降温温度优选为700～740℃，优选为720℃。

本发明中，模具为水冷钢制模具。

本发明中，将铸件进行挤压加工前优选将铸件车削去除表面氧化层。

本发明中，挤压模具优选在挤压前在挤压温度保温90min以上。

本发明中，挤压加工的温度优选为290～350℃，更优选为300～340℃，最优选为320℃；挤压加工的保温时间优选为90～120min，更优选为95～105min，最优选为100min；挤压加工的挤压比优选为4～7；挤压加工的挤压速度优选为0.1～0.2mm/s。

以下结合实施例进一步说明本发明。

对比例1

变形镁合金，成分为：gd8wt％，yb0wt％，zn1.2wt％，zr0.5wt％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

上述变形镁合金的制备：

步骤一、将镁锭、锌锭、钆源(含钆20％的镁钆中间合金锭)和锆源(含锆30％的镁锆中间合金锭)去掉氧化层，按照配比备料，然后预热至250℃。

步骤二、将坩埚加热至550℃时，在通入保护性气体的条件下加入镁锭，待镁锭熔化，升温至720℃，依次加入锌锭和钆源，待锌锭和钆源熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌18min，继续升温至760℃，加入锆源，待锆源熔化后，得到金属液；

步骤三、将金属液降温至750℃，通入高纯氩气30s，通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.0％，熔剂充分融入金属液后，静置45min，得到合金液。

步骤四、将合金液降温至705℃，撇去金属液表面浮渣，浇入水冷钢制模具，得到合金铸棒。

步骤五、将合金铸棒经过车削去掉表面氧化层，进行挤压加工，得到变形镁合金，挤压模具需在挤压前在挤压温度保温90min，挤压参数为：挤压温度320℃，保温时间100min，挤压比为7，挤压速度为0.1mm/s。

对对比例1的高强耐热变形镁合金进行力学性能测试，其结果如表1所示。

表1对比例1的高强耐热变形镁合金棒材不同温度下的力学性能

实施例1

高强耐热变形镁合金，成分为：gd8.0wt％，yb1.0wt％，zn1.0wt％，zr0.5wt％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

上述高强耐热变形镁合金的制备：

步骤一、将镁锭、锌锭、钆源(含钆20％的镁钆中间合金锭)、镱源(含镱20％的镁镱中间合金锭)和锆源(含锆30％的镁锆中间合金锭)去掉氧化层，按照配比备料，然后预热至250℃。

步骤二、将坩埚加热至550℃时，在通入保护性气体的条件下加入镁锭，待镁锭熔化后，升温至730℃，加入锌锭、钆源和镱源，待其熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌18min，继续升温至750℃，加入锆源，待其熔化后，得到金属液。

步骤三、通入高纯氩气30s，通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.2％，熔剂充分融入金属液后，静置40min，得到合金液。

步骤四、将合金液降温至700℃，撇去熔体表面浮渣，浇入水冷钢制模具，得到合金铸棒。

步骤五、将合金铸棒经过车削去掉表面氧化层，进行挤压加工，得到高强耐热变形镁合金棒材，挤压模具需在挤压前在挤压温度保温90min，挤压参数为：挤压温度320℃，保温时间120min，挤压比为7，挤压速度为0.1mm/s。

对实施例1的高强耐热变形镁合金进行力学性能测试，其结果如表2所示。

表2实施例1的高强耐热变形镁合金棒材不同温度下的力学性能

实施例2

高强耐热变形镁合金，成分为：gd8.5wt％，yb2wt％，zn1.2wt％，zr0.5wt％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

高强耐热变形镁合金的制备：

步骤一、将镁锭、锌锭、钆源(含钆20％的镁钆中间合金锭)、镱源(含镱20％的镁镱中间合金锭)和锆源(含锆30％的镁锆中间合金锭)去掉氧化层，按照配比备料，然后预热至250℃。

步骤二、将坩埚加热至550℃时，在通入保护性气体的条件下加入镁锭，待镁锭熔化，升温至720℃，加入锌锭、钆源和镱源，待其熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌18min，继续升温至760℃，加入锆源，待其熔化后，得到金属液。

步骤三、将金属液降温至750℃，通入高纯氩气30s，通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.5％，熔剂充分融入金属液后，静置60min，得到合金液。

步骤四、将合金液降温至715℃，撇去熔体表面浮渣，浇入水冷钢制模具，得到合金铸棒。

步骤五、将合金铸棒经过车削去掉表面氧化层，进行挤压加工，得到高强耐热变形镁合金棒材，挤压模具需在挤压前在挤压温度保温90min，挤压参数为：挤压温度320℃，保温时间100min，挤压比为7，挤压速度为0.1mm/s。

对实施例2的高强耐热变形镁合金进行力学性能测试，其结果如表3所示。

表3实施例2的高强耐热变形镁合金棒材不同温度下的力学性能

从表3可以看出，实施例3的高强耐热变形镁合金在室温具有较高的强度和塑性，并且在200℃和250℃时力学性能仍然很高，有望用于服役温度在250℃左右的结构件。

实施例3

高强耐热变形镁合金，成分为：gd8.0wt％，yb3wt％，zn1.2wt％，zr0.4wt％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

高强耐热变形镁合金的制备：

步骤一、将镁锭、锌锭、钆源(含钆20％的镁钆中间合金锭)、镱源(含镱20％的镁镱中间合金锭)和锆源(含锆30％的镁锆中间合金锭)去掉氧化层，按照配比备料，然后预热至250℃。

步骤二、将坩埚加热至550℃时，在通入保护性气体的条件下加入镁锭，待镁锭熔化，在720℃时依次加入锌锭、钆源和镱源，待其熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌18min。然后升温至760℃时，加入锆源，待其熔化后，得到金属液。

步骤三、上述步骤完成后，降温至750℃，通入高纯氩气30s，通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.0％，熔剂充分融入金属液后，静置45min，得到合金液。

步骤四、将合金液降温至700℃，撇去熔体表面浮渣，浇入水冷钢制模具，得到合金铸棒。

步骤五、将合金铸棒经过车削去掉表面氧化层，进行挤压加工，得到高强耐热变形镁合金棒材，挤压模具需在挤压前在挤压温度保温90min，挤压参数为：挤压温度320℃，保温时间120min，挤压比为7，挤压速度为0.1mm/s。

对实施例3的高强耐热变形镁合金进行力学性能测试，其结果如表4所示。

表4实施例3的高强耐热变形镁合金棒材不同温度下的力学性能

从表4可以看出，实施例4的高强耐热变形镁合金在室温具有较高的强度和塑性，并且在200℃和250℃时力学性能仍然很高，有望用于服役温度在250℃左右的结构件。

实施例4

高强耐热变形镁合金，成分为：gd8.5wt％，yb4wt％，zn1.5wt％，zr0.4wt％，余量为mg及不可避免的杂质元素。

高强耐热变形镁合金的制备：

步骤一、将镁锭、锌锭、钆源(含钆20％的镁钆中间合金锭)、镱源(含镱20％的镁镱中间合金锭)和锆源(含锆30％的镁锆中间合金锭)去掉氧化层，按照配比备料，然后预热至250℃。

步骤二、将坩埚加热至550℃时，在通入保护性气体的条件下加入镁锭，待镁锭熔化，在730℃时依次加入锌锭、钆源和镱源，待其熔化后，撇去熔体表面浮渣，搅拌20min。然后升温至760℃时，加入锆源，待其熔化后，得到金属液。

步骤三、上述步骤完成后，降温至750℃，通入高纯氩气30s，通气完毕后，加入6号熔剂，加入量为各原料总质量的1.0％，熔剂充分融入金属液后，静置45min，得到合金液。

步骤四、将合金液降温至700℃，撇去熔体表面浮渣，浇入水冷钢制模具，得到合金铸棒。

步骤五、将合金铸棒经过车削去掉表面氧化层，进行挤压加工，得到高强耐热变形镁合金棒材，挤压模具需在挤压前在挤压温度保温90min，挤压参数为：挤压温度320℃，保温时间100min，挤压比为7，挤压速度为0.1mm/s。

对实施例4的高强耐热变形镁合金进行力学性能测试，其结果如表4所示。

表4实施例4的高强耐热变形镁合金棒材不同温度下的力学性能

从实施例1-4及对比例1可以看出，本发明的变形镁合金在室温具有较高的强度和塑性，并且在250℃时力学性能具有很高的力学性能。因此，该变形合金有望用于服役温度在250℃以上的结构件。

图1为实施例3的高强耐热变形镁合金的铸态金相组织。图2为实施例3制备的变形镁合金的在320℃挤压后得到的变形组织，相比原始铸造组织，挤压变形后组织明显变细；可以清晰地看到再结晶区和未再结晶区，再结晶晶粒平均晶粒尺寸大约1.39微米。其他的不需要说明。

以上只通过说明的方式描述了本发明的实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。