含微量Al的稀土变形镁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含微量A1元素的稀土变形镁合金及其制备方法，属于工业用镁 合金的范畴。
【背景技术】
[0002] 稀土镁合金是研究较为广泛的一类的镁合金材料，其中Mg-Gd-Y-Zr合金作为一 类典型的稀土镁合金是目前研究的热点之一。由于Gd、Y元素在镁中的固溶度较大，随温度 降低固溶度迅速降低，可以进行时效强化，因此Mg-Gd-Y-Zr合金是一类可热处理强化的合 金。铸造镁合金由于其具有较好成形性能，因此被广泛开发应用，但是除特种铸造合金外普 通铸造成型镁合金难免存在铸造缺陷，限制了其作为高承力构件的应用，而变形镁合金具 有出色及稳定的力学性能，是镁合金发展的必然趋势。目前，国内没有专门制备大型变形镁 合金的设备，常依托现有铝合金成形设备进行制备加工，比如挤压、乳制以及锻造等，会导 致合金中含有微量A1元素，影响镁合金的纯净度，最终恶化合金的性能。
[0003] -般而言，不将A1添加到含Zr及含Mn的的镁合金中，主要是在于A1易于和Zr及 Mn反应生成有害相，不仅减弱了原始Zr及Mn的作用，同时反应生成的相会大幅度恶化合金 的组织，不利于材料的后续加工及服役性能，特别是利用Zr来细化晶粒的稀土镁合金。另 外，在稀土镁合金中，混入一定量的A1后，除了Al-Zr相的存在外，A1还会和RE反应生成 A1-RE相，减低稀土在镁合金中的固溶时效强化作用，特别是对高固溶度的稀土元素，因此， 传统上在Mg-RE-Zr合金体系中严格杜绝A1的存在。
[0004] 稀土镁合金在塑性加工后余料中混入的A1元素使得其不能进行回收，只能做降 级少量利用，或直接进行无害化处理。但是，稀土是不可再生资源，显然上述处理方法会造 成大量稀土的浪费，提高了镁合金的制备成本，并对环境的造成污染。研究发现，A1-RE相 具有很好的热稳定性，凝固时即可以产生，并在固态下不发生相转变，该特性已经在AZ系 列合金中得到了广泛应用，但是在稀土镁合金中，一般将其作为不利因素，尽量避免。根据 上述研究结果，利用A1-RE相在高温具有热稳定性的特点，开发出一类能在高温下服役的 合金，具有十分重要意义，特别是针对由于加工过程中附带加进铝的稀土合金加工余料的 回收，可大幅度降低合金开发的成本。另外研究表明，Zn元素添加进稀土合金中，会形成准 晶相或长周期有序结构，变形后会大幅度提高合金的塑性，因此，本发明当中会适当补充Zn 元素，用以消除A1元素添加所导致的合金塑性下降的不利影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的是解决由于加工过程中附带加进铝的稀土镁合金加工余料回 收的问题，通过设计本合金的成分及制备方法的工艺，在获得高性能的前提下，降低稀土镁 合金的制备成本。
[0006] 为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种含微量A1元素的稀土变形镁合金，其重量百分比组成为：Gd:6. 5~15. 0%， Y :3. 0~5. 5%，Zn :2. 0~4. 0%，Nd :0? 3~1. 5%，Zr :0? 3~0? 9%，A1 :0? 4~1. 0%，余量为 Mg。
[0008] 本体系合金中每类元素均有其作用，稀土元素(包括Gd、Y、Nd)在合金的形成主要 的强化相，利用其具有一定固溶度的特点，可以时效强化合金；Zn元素主要是和稀土元素 形成长周期有序结构（LPS0相)，该相的存在可以很大程度上提高合金的塑形；Zr元素可以 细化合金的晶粒尺寸；A1元素可以和稀土元素形成A1-RE相，提高合金的耐高温性能。
[0009] -种含微量A1元素的稀土变形镁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0010] (1)原料准备，方式有以下两种：
[0011] 本发明的设计目标合金为：
[0012] Mg-(6. 5~15. 0)Gd-(3. 0~5. 5)Y-(2. 0-4. 0)Zn-(0. 3~1. 5)Nd-(0. 3~0? 9) Zr-(0. 4-1. 0)A1
[0013] 按本发明的设计镁合金成分的重量百分比进行备料；或者采用变形后的稀土镁合 金压余，经过成分测试，添加A1和/或Zn ;
[0014] (2)合金熔炼
[0015] 将预热炉升温到300°C~400°C，并将熔化炉升温到600°C~900°C，同时向上述两 个炉子里通入保护气体；原料分别在预热炉中预热后，加入到预热的熔炼炉中进行合金熔 炼，至完全熔化后，加入超声设备以及搅拌装置，对熔液进行机械搅拌及超声处理；
[0016] (3 )合金半固态挤压
[0017] 搅拌后，将机械搅拌及超声处理装置全部取出，熔液倒入半固态挤压机的腔室内， 降温至600°C~650°C，保温lOmin，进行半固态挤压，挤压棒材的直径为10mm~200mm之 间；
[0018] (4)冷却及预拉伸处理
[0019] 将变形后的合金在可循环的80°C~150°C淬火介质中冷却，当棒料温度与淬火介 质温度一致时取出；加工成形的棒材进行预拉伸处理，消除残余应力并矫形，预拉伸变形量 为2~5%;
[0020] (5)时效强化处理
[0021] 将淬火后带有温度的棒料直接放入时效热处理炉中进行热处理，温度在150°C~ 250°C之间，时间为8h~100h之间，随后空冷。
[0022] 上述方法适用于半固态挤压棒材直径彡50mm的材料的加工，直接时效并冷却，即 执行步骤（4)和（5)，其余尺寸的材料挤压后直接放入均匀化热处理炉中进行均匀化处理。
[0023] 对于半固态挤压直径为50mm~100mm的棒料，在步骤（3)之后，还包括以下步骤：
[0024] (3) -A均匀化处理
[0025] 将棒料出炉温度控制在500°C ±10°C，然后放入预先升温好的均匀化热处理炉 中，均匀化温度在500°C~540°C之间，保温时间在8h~48h;
[0026] (3)_B1再变形
[0027] 进行二次挤压，挤压温度即均匀化温度，挤压速度为5mm~15mm/min，挤压速度与 挤压比呈反比，挤压比控制量在4~25。
[0028] 对于半固态挤压直径大于100mm的棒料，在步骤（3)之后，还包括以下步骤：
[0029](3) -A均匀化处理
[0030] 将棒料出炉温度控制在500°C±10°C，然后放入预先升温好的均匀化热处理炉 中，均匀化温度在500°C~540°C之间，保温时间在8h~48h;
[0031] (3)_B2 再变形
[0032] 均匀化后进行2~5次多向锻造，变形过程中不降温，保持温度在500°C~550°C， 每次锻造后均回炉保温30min~lOOmin，然后进行挤压、乳制或直接锻造成形。
[0033]步骤（1)中，Zr以Mg-Zr中间合金形式加入，所述的Mg-Zr中间合金中，Zr的成分 含量为30~40wt%，其余为Mg ;其他的合金元素，包括其余的Mg及Zn、Al、Gd、Y和Nd均以 纯金属形式加入。
[0034] 原料采用余料回收，将变形后的稀土镁合金压余车掉外皮，减少杂质。在熔炼过程 中在线检测A1含量，如果少于0. 4%时，则根据体积质量进行补充。
[0035] 本发明中，按照RE(稀土金属)收得率为85%，Zr收得率为25%，A1收得率为100%， Zn收得率为90%,计算合金元素的加入重量。
[0036] 步骤（2)中，预热炉为电阻炉，熔化炉为可控温的中频电磁感应加热炉；保护气体 为氩气和134a混合气体，二者体积比例约为20:1，下同。
[0037] 新合金熔炼包括如下步骤：
[0038] 在已经预热的熔炼炉中进行合金熔炼：首先将约占总重量50%经预热后的纯镁 锭放入熔炼炉中，完全熔化后加入剩余镁锭，期间温度控制在660°C~720°C，保持5min~ lOmin，搅拌并撇除浮渣；当镁锭完全熔化后缓慢升高熔体温度，加入预热的稀土金属，加入 时保证熔体的温度不低于750°C;当熔体中稀土金属完全溶化后缓慢升高熔体温度，加入预 热的Mg-Zr中间合金，加入时保证熔体温度在800°C~850°C之间；再加入预热的A1，加入 时熔体温度在800°C以上，A1粒