一种超高强耐高温镁合金的制作方法

本发明涉及镁合金领域，特别涉及一种含稀土超高强耐高温镁合金。

背景技术：

镁合金是目前可用的最轻的金属结构材料，具有高比强度和高比刚度、阻尼减振性能优异等特点，在航空、航天及汽车工业领域有广阔的应用前景。然而目前镁合金的应用量远远落后于铝合金，原因包括：高稀土含量的高强耐热镁合金大锭坯在半连续铸造过程中易产生严重开裂，表面冷隔严重，导致可制备的铸锭规格及最终构件尺寸受限；高温强度偏低，难以满足高温服役需求；加工塑性差，成品合格率低等。近年来开发的mg-gd-y-zr系合金室温及高温强度高于mg-zn-zr系和mg-al-zn系，但其铸造性能及塑性加工性能都差，难以满足航空航天领域在制备大尺寸构件中对轻质高强材料的迫切需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超高强耐高温镁合金。合金质量百分比成分为：gd：8.0-9.6%，y：1.8-3.2%，gd含量与y含量的比值为：3≤gd/y≤5，zr：0.3-0.7%，ag：0.02-0.5%，er：0.02-0.3%，ag含量与er含量的比值为：1≤ag/er≤3，杂质包括fe、si、cu、ni等不可避免的杂质元素，其中fe≤0.02%，si≤0.02%，cu≤0.005%，ni≤0.003%，杂质总含量不超过0.1%，其余为mg。

所述合金成分gd的质量百分比为8.5-9.6%。

所述合金成分y的质量百分比为2.0-3.0%。

所述合金成分gd与y的比值为：3.5≤gd/y≤4.5。

所述合金成分zr的质量百分比为0.3-0.5%。

所述合金成分ag的质量百分比为0.02-0.4%。

所述合金成分ag的质量百分比为0.02-0.3%。

所述合金成分er的质量百分比为0.02-0.2%。

所述合金成分ag与er的比值为：1.5≤ag/er≤2.5。

所述杂质总含量不超过0.05%。

在镁合金中添加gd、y等稀土元素，经过时效热处理，合金分解出热稳定性高的β＇相，可提高合金的高温强度。然而当稀土元素含量较高时，合金铸造性能急剧下降、大尺寸锭坯开裂严重，同时加工塑性降低，导致产品合格率极低。

本发明将合金中gd含量与y含量的比值gd/y控制在3-5之间，其作用在于：y有提高镁合金高温强度的作用，y含量过低，会使合金的高温强度下降；y含量过高，合金中形成的mg24y5相数量增多、尺寸变大，该相与基体结合力弱，导致合金在热加工过程中热塑性降低、产生开裂。将gd/y控制在3-5之间，可保证合金既有高的高温强度，又具有良好的热加工塑性。

本发明在mg-gd-y-zr合金中添加ag，其作用包含以下几点：

1.添加0.02-0.5%ag可显著降低mg-gd-y-zr合金的熔点，提高铸造时合金熔体的流动性。一方面，熔体流动性增加使结晶器内熔体温度场不均匀性减小，减少大锭坯在半连续铸造过程中形成的残余应力，有效防止铸锭的开裂；另一方面，熔体流动性增加减少铸锭表面冷隔数量及冷隔深度，提高铸锭表面质量，提高锭坯合格率。

2.添加0.02-0.5%ag，可显著细化mg-gd-y-zr合金中的β＇相，使其分布更弥散均匀，提高合金的时效强化效果。

本发明在mg-gd-y-zr合金中添加er，其作用是：mg-gd-y-zr合金热塑性变形多在400-530℃的高温下进行，ag的添加增强合金的动态分解，降低合金固溶体中稀土元素的含量，在合金中添加0.02-0.3%er，可以抵消ag对动态分解的促进作用，保证变形后合金固溶体中稀土元素含量较高，在后续时效过程中获得强的时效强化效果。

ag和er的添加量对mg-gd-y-zr合金性能影响很关键。ag含量过高会降低gd、y在镁合金中的溶解度，导致合金均匀化处理后残留大量共晶组织，加工塑形变差；er含量>0.3%时，时效形成的β′强化相会被粗化，降低合金的时效强化效果；将ag含量和er含量的比例控制在1-3之间，合金同时具有良好的加工塑性和时效强化效果。

通过加入少量ag和er，使合金的铸造性能、加工性能和时效强化效果大幅改善，可制备大尺寸规格的构件，提高合格率以及合金的室温和高温力学性能。可制备出直径300-630mm、长≥2000mm的大规格高品质铸锭，并通过集成塑性变形技术制备出外径达1700mm的大尺寸各向异性小的壳体构件，该合金成品在t6态室温抗拉强度≥470mpa，屈服强度≥400mpa，断后伸长率≥5%；200℃抗拉强度≥350mpa，屈服强度≥260mpa，断后伸长率≥7%。

采用相同的制备方法，适量添加ag和er、并保证1≤ag/er≤3、3≤gd/y≤5的mg-gd-y-zr-ag-er合金比无ag与er的合金合格率由不超过50%提高至70%以上；制备的最大锭坯直径由400mm提高至630mm、制备的最大环形构件直径由700mm提高至1700mm；合金室温屈服强度提高10-15%、200℃时屈服强度提高30-40%。

采用相同的制备方法，gd含量与y含量的比值满足3≤gd/y≤5的mg-gd-y-zr-ag-er合金比gd/y＜3的合金产品合格率、室温强度及高温强度显著提高。

采用相同的制备方法，gd含量与y含量的比值满足3≤gd/y≤5的mg-gd-y-zr-ag-er合金比gd/y＞5的合金室温强度及高温强度显著提高。

采用相同的制备方法，适量添加ag和er、并保证1≤ag/er≤3的mg-gd-y-zr-ag-er合金比ag/er＞3的合金产品合格率、室温强度及高温强度显著提高。

采用相同的制备方法，适量添加ag和er、并保证1≤ag/er≤3的mg-gd-y-zr-ag-er合金比ag/er＜1的合金室温强度及高温强度显著提高。

附图说明

图1是本发明中实施例4合金透射电子显微组织形貌。

图2是本发明中对比例1合金透射电子显微组织形貌。

具体实施方式

实施例1：

镁合金的化学成分为：gd：9.0%，y：2.5%，zr：0.4%，ag：0.07%，er：0.04%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.0015%，si：0.0025%，cu：0.0006%，ni：0.002%，杂质总含量为0.03%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径450mm、长2700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为81%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例2

镁合金的化学成分为：gd：9.5%，y：2.2%，zr：0.5%，ag：0.1%，er：0.05%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.0026%，si：0.0022%，cu：0.002%，ni：0.001%，杂质总含量为0.014%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径450mm、长1650mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为71%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例3

镁合金的化学成分为：gd：8.5%，y：2.3%，zr：0.4%，ag：0.5%，er：0.2%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.0018%，si：0.002%，cu：0.001%，ni：0.002%，杂质总含量为0.025%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径450mm、长1700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为70%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例4

镁合金的化学成分为：gd：8.8%，y：2.2%，zr：0.3%，ag：0.3%，er：0.2%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.0016%，si：0.003%，cu：0.002%，ni：0.001%，杂质总含量为0.03%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径630mm、长1700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为75%，成品直径为1700mm，时效处理后，其透射电子显微组织见附图1，可见其内部强化相细小弥散，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例5

镁合金的化学成分为：gd：9%，y：2%，zr：0.5%，ag：0.2%，er：0.1%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.003%，si：0.001%，cu：0.003%，ni：0.002%，杂质总含量为0.04%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径630mm、长1700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为82%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例6

镁合金的化学成分为：gd：8.9%，y：2.5%，zr：0.4%，ag：0.15%，er：0.07%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.001%，si：0.002%，cu：0.004%，ni：0.001%，杂质总含量为0.025%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径630mm、长1700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为78%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

实施例7

镁合金的化学成分为：gd：8.9%，y：2.5%，zr：0.5%，ag：0.05%，er：0.03%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.002%，si：0.004%，cu：0.001%，ni：0.003%，杂质总含量为0.03%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径630mm、长1700mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，壳体产品最终合格率为70%，成品直径为1700mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表1。

比较例1：

镁合金的化学成分为：gd：8.5%，y：2.7%，zr：0.4%，杂质有fe、si、cu、ni，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.001%，si：0.002%，cu：0.003%，ni：0.001%，杂质总含量为0.04%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径400mm、长2000mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，产品合格率为40%，壳体成品直径为1200mm，时效处理后，其透射电子显微组织见附图2，可见其β＇相较实施例4中更加粗大，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表2。可看出，比较例1镁合金中未添加ag、er元素，其最大铸锭尺寸、最大产品尺寸、产品合格率、室温强度、高温强度均明显低于实施例1-7。

比较例2：

镁合金的化学成分为：gd：8.5%，y：3.2%，zr：0.4%，ag：0.5%，er：0.18%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.003%，si：0.002%，cu：0.004%，ni：0.002%，杂质总含量为0.02%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径400mm、长2000mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，产品合格率为35%，壳体成品直径为1200mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表2。可看出，比较例2镁合金产品合格率、室温强度、高温强度均明显低于实施例1-7。

比较例3：

镁合金的化学成分为：gd：9.5%，y：1.8%，zr：0.4%，ag：0.5%，er：0.18%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.003%，si：0.004%，cu：0.001%，ni：0.002%，杂质总含量为0.02%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径600mm、长2000mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，产品合格率为75%，壳体成品直径为1200mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表2。可看出，比较例3镁合金室温强度、高温强度均明显低于实施例1-7。

比较例4：

镁合金的化学成分为：gd：9.5%，y：1.8%，zr：0.4%，ag：0.5%，er：0.1%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.003%，si：0.002%，cu：0.004%，ni：0.002%，杂质总含量为0.02%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径600mm、长2000mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，产品合格率为40%，壳体成品直径为1200mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表2。可看出，比较例4镁合金产品合格率、室温强度、高温强度均明显低于实施例1-7。

比较例5：

镁合金的化学成分为：gd：9.5%，y：1.8%，zr：0.4%，ag：0.15%，er：0.3%，杂质包括fe、si、cu、ni，fe：0.004%，si：0.001%，cu：0.003%，ni：0.002%，杂质总含量为0.02%，其余为mg。用半连续铸造法制备出镁合金铸锭，铸锭尺寸为直径400mm、长2000mm，经均匀化退火和塑性变形后制得成品，产品合格率为73%，壳体成品直径为1200mm，时效处理后，做室温和200℃拉伸试验，得到抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，具体数据见表2。可看出，比较例5镁合金室温强度、高温强度均明显低于实施例1-7。

表1实施例合金力学性能

表2对比例合金力学性能