本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁稀土合金及其制备方法，具体地，涉及一种高强耐热铸造镁稀土合金及其制备方法。
背景技术：
镁合金是工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度低，比刚度和比强度高的特性，同时具有很高的振动阻尼容量，优良的切削加工性能。作为结构材料，镁合金在低温条件下已经有了广泛的应用。但普通镁合金的高温力学性能较差，制约了其在航空航天、汽车等领域中的应用。研究高温力学性能更好的镁合金，是镁合金研究的重要课题。添加适量的稀土元素能明显改善镁合金的高温力学性能。
对于传统mg-gd-y系合金，陈志等发现随着y含量的增加，试验合金的抗拉强度、延伸率均降低。在加入y的含量为1wt％时，合金的抗拉强度、伸长率有最大值，分别为221mpa和5.6％。当y含量达到5wt％时，抗拉强度明显下降。这是由于y含量过高时，析出相的数量增加，产生偏聚，易引起应力集中，从而导致铸态合金的抗拉强度和伸长率降低。另外，y含量过高，浇铸时合金液的粘度增加，流动性降低，铸态组织不均匀，合金的力学性能下降(陈志.y含量对mg-gd-y-sm-zr合金组织和性能的影响[d].河南：河南科技大学，2014)。因此可以考虑用其它稀土元素来代替y。
虽然研究表明，若把属于不同轻重稀土的两种或多种稀土元素复合加入镁合金中,能够开发出成本低廉、室温和高温力学性能优良的镁合金，但不含y的相关文献报道较少，此外，热处理工艺参数也比较陈旧，急需研究出一种热处理工艺参数优化的不含y的高强耐热铸造镁稀土合金。
技术实现要素：
针对现有镁稀土合金存在的不足，本发明的目的是提供一种高强耐热铸造镁稀土合金及其制备方法，为了获得更高强度、更好的耐热性能，需要进行多种稀土元素混合并优化热处理工艺。本发明采用gd为第一组分，因为gd在200℃时在mg固溶体的固溶度为3.82wt％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强度效果，gd的加入量不低于4wt％，同时，为避免合金成本和密度增加太多以及合金过分脆化，gd的加入量不高于16wt％；采用er、sm为第二、三组分，可以降低gd在mg中的固溶度，从而增加gd的时效析出强化效应，同时也可以提前时效硬度峰值的出现，又因为sm在mg中的最大固溶度为5.8wt％，因此er、sm的加入量应不高于6wt％。同时为降低成本，稀土元素添加量不应过高，gd+er+sm应在6wt％到21wt％内。采用zr作为晶粒细化剂，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。经过热处理(双级固溶处理+双级时效处理)之后制备出一种高强耐热铸造镁稀土合金。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种高强耐热铸造镁稀土合金，所述合金由如下按重量百分数计的各元素组成：
gd为4～16wt.％；
er为0.2～6wt.％；
sm为0.2～6wt.％；
且gd、er和sm的总量为：6～21wt％；
zr为0～1wt.％；
余量为mg。
本发明通过同时添加gd、sm、er和zr，细化了晶粒尺寸，引入了高温稳定强化相mg41(sm，er)5增强基体，经后续热处理(双级固溶处理+双级时效处理)进一步强化合金。
优选地，所述gd为9～16wt.％。
优选地，所述zr为0.1～0.25wt.％。
本发明还提供一种高强耐热铸造镁稀土合金的制备方法，所述制备方法包括熔炼和热处理。
优选地，所述熔炼包括如下步骤：
s1、分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在160℃～240℃预热烘干；
s2、在保护气条件下，将经步骤s1处理后的所有原料熔化后，温度升至650℃～700℃搅拌1～5min；
s3、将经步骤s1处理后得到的熔体温度升至670℃～720℃静置保温5～10min；
s4、待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃～240℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述保护气为氩气、或sf6和co2的混合气体。
优选地，所述热处理包括如下步骤：将经熔炼后得到的镁稀土合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理。更优选地，将经熔炼后得到的镁稀土合金铸锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
优选地，所述固溶处理的步骤为：先在500～540℃固溶处理4～12h，然后在300～350℃固溶处理0h～10h；两次固溶处理后分别进行空冷处理。
优选地，所述时效处理的步骤为：先在170～250℃条件下时效50～100h，然后在100～170℃条件下时效0～50h；两次时效后分别进行空冷处理。温度过高或时间过长会发生过时效，影响材料的强度。过低或过短，达不到固溶强化或者时效的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
①本发明引入er元素可显著细化晶粒，改变合金的枝晶形态，提高合金的力学性能；引入sm元素进行合金化，生成高熔点强化相mg41sm5,具有良好的细化晶粒和固溶强化效果，可获得室温、高温力学性能优良的耐热镁合金；
②本发明通过对一种高强耐热铸造镁稀土合金进行双级固溶处理和双级时效处理，能充分发挥固溶强化和时效的作用；
③本发明的热处理方法与传统的t6热处理工艺相比，固溶和时效后采用空冷工艺代替水淬，避免了铸件因为太快的冷却速度导致各部分收缩不均匀，形成大的内应力从而造成的变形及开裂现象，成品率可大大提高；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例所提供的一种高强耐热铸造镁稀土合金及其制备方法，所述合金各组分的质量百分比为：4～16wt.％gd，0.2～6wt.％er，0.2～6wt.％sm，gd+er+sm：6～21wt％，0～1wt.％zr，余量为mg。所述的wt.％是指组分占所配制的合金总质量的百分比。
本发明采用gd为第一组分，因为gd在200℃时在mg固溶体的固溶度为3.82wt％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强度效果，gd的加入量不低于4wt％，同时，为避免合金成本和密度增加太多以及合金过分脆化，gd的加入量不高于16wt％；采用er、sm为第二、三组分，可以降低gd在mg中的固溶度，从而增加gd的时效析出强化效应，同时也可以提前时效硬度峰值的出现，又因为sm在mg中的最大固溶度为5.8wt％，因此er、sm的加入量应不高于6wt％。同时为降低成本，稀土元素添加量不应过高，gd+er+sm应在6wt％到21wt％内。采用zr作为第四组分，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。
以下实施例还提供了一种高强耐热铸造镁稀土合金的制备方法，所述制备方法包括熔炼和热处理两个阶段。
优选地，所述熔炼阶段包括以下步骤：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在160℃～240℃烘箱中预热烘干2～3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气、或sf6和co2混合气体。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至650℃～700℃时进行机械搅拌1～5min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至670℃～720℃时静置保温5～10min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃～240℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行固溶处理和时效处理。
①双级固溶处理：先在500～540℃固溶处理4～12h，而后在300～350℃固溶处理0h～10h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：在170～250℃条件下时效50～100h，而后在100～170℃条件下时效0～50h。两次时效后分别进行空冷处理。
对比例1
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：16wt.％gd，5wt.％er，0wt.％sm，1wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理0h。固溶后进行空冷处理。
②双级时效处理：先在250℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效0h。时效后进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为201.6mpa，抗拉强度为230.7mpa，延伸率为1.5％。
250℃：屈服强度为220.8mpa，抗拉强度为270.6mpa，延伸率为4.5％
对比例2
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：16wt.％gd，5wt.％er，0wt.％sm，1wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理10h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在250℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效50h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为210.5mpa，抗拉强度为240.8mpa，延伸率为2.1％。
250℃：屈服强度为227.9mpa，抗拉强度为280.2mpa，延伸率为5.2％
实施例1
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：4wt.％gd，6wt.％er，6wt.％sm，1wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至670℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至680℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理5h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在200℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效20h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为213.6mpa，抗拉强度为252.1mpa，延伸率为2.9％。
250℃：屈服强度为253.1mpa，抗拉强度为294.3mpa，延伸率为6.1％
实施例2
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：15wt.％gd，1wt.％er，1wt.％sm，0.5wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理5h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在200℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效20h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为220.1mpa，抗拉强度为234.6mpa，延伸率为1.7％。
250℃：屈服强度为262.4mpa，抗拉强度为285.3mpa，延伸率为6.2％
实施例3
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：10wt.％gd，2wt.％er，2wt.％sm，0.5wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理5h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在200℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效20h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为237.5mpa，抗拉强度为347.2mpa，延伸率为3.2％。
250℃：屈服强度为251.8mpa，抗拉强度为360.4mpa，延伸率为7.8％
实施例4
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：12wt.％gd，2wt.％er，2wt.％sm，0.5wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理5h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在200℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效20h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为301.4mpa，抗拉强度为334.7mpa，延伸率为5.2％。
250℃：屈服强度为310.9mpa，抗拉强度为354.2mpa，延伸率为8.3％。
实施例5
一种高强耐热铸造镁稀土合金其各组分质量百分比为：12wt.％gd，2wt.％er，1wt.％sm，0.5wt.％zr，余量为mg。
首先进行的是熔炼阶段，整个熔炼过程是在保护气氛条件下的感应电炉中进行的：
①烘料：分别取纯mg、mg-gd、mg-er、mg-sm和mg-zr中间合金在180℃烘箱中预热烘干3h。
②加料：将上述预热之后的所有原料一并放进坩埚中，同时，将金属型模具放入熔炼炉内的指定位置。
③充保护气体：向熔炼炉腔中充入保护气体氩气。
④熔炼和搅拌：待充气完成后开始加热将坩埚中的原料熔化为液体，待原料熔化后，温度升至660℃时进行机械搅拌4min。
⑤静置保温：待机械搅拌后，熔体温度升至690℃时静置保温8min。
⑥浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为180℃的金属型模具中，获得镁稀土合金铸锭。
优选地，所述热处理阶段采用以下步骤：将经熔炼阶段制备的镁稀土合金锭依次进行双级固溶处理和双级时效处理。
①双级固溶处理：先在500℃固溶处理12h，而后在350℃固溶处理5h。两次固溶后分别进行空冷处理。
②双级时效处理：先在200℃条件下时效100h，而后在170℃条件下时效10h。两次时效后分别进行空冷处理。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为285.2mpa，抗拉强度为325.7mpa，延伸率为6.3％。
250℃：屈服强度为302.4mpa，抗拉强度为351.8mpa，延伸率为9.1％。
实施例6
本实施提供一种高强耐热铸造镁稀土合金，所述合金中各组分质量百分比为：9wt.％gd，6wt.％er，6wt.％sm，1wt.％zr，余量为mg。本实施例合金的制备方法与实施例1一致。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为242.3mpa，抗拉强度为287.9mpa，延伸率为3.5％。
250℃：屈服强度为257.3mpa，抗拉强度为318.2mpa，延伸率为7.9％。
实施例7
本实施提供一种高强耐热铸造镁稀土合金，所述合金中各组分质量百分比为：12wt.％gd，2wt.％er，1wt.％sm，0.2wt.％zr，余量为mg。本实施例合金的制备方法与实施例5一致。
该高强耐热铸造镁稀土合金的室温力学性能为：
室温：屈服强度为290.4mpa，抗拉强度为336.2mpa，延伸率为5.4％。
250℃：屈服强度为314.6mpa，抗拉强度为382.3mpa，延伸率为11.2％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。