一种多尺度相强化的耐热抗蠕变Mg-Zn-Ca-Gd合金、制备方法及应用

本发明涉及金属材料及冶金，具体涉及一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金、制备方法及应用。

背景技术：

1、镁合金具有比强度高、阻尼性好、电磁屏蔽能力强等优点，是航空航天以及汽车领域最具潜力的轻量化材料。一些在较高温度下服役的结构件，因持续受载荷发生蠕变变形而导致服役寿命下降。以az和am系为代表的mg-al系镁合金在航空航天和交通运输等领域被广泛应用，它们的特点是室温性能优异，制造成本低，但由于mg-al系镁合金中的主要强化相β-mg17al12相热稳定性差，服役温度超过120℃抗蠕变性能会大幅度下降，因此大部分商用mg-al系镁合金无法满足汽车动力总成等热端部件的服役要求。

2、镁合金室温变形主要是由于位错滑移和孪生，但是在高温环境下，除了位错滑移，位错攀移和晶界滑动也会使合金发生蠕变变形，因此限制合金中位错的运动和晶界滑动便可以提高其抗蠕变性能。β-mg17al12相在高温下容易粗化和软化，从而失去对晶界和位错的钉扎作用，不利于合金的抗蠕变性能。合金化是提升镁合金耐热性能最有效的方法，通过添加合金化元素生成热稳定性好的第二相，使合金中不生成β-mg17al12相或者减少β-mg17al12相的体积分数可以提高耐热抗蠕变性能。

3、从耐热镁合金的发展历史可以看出，添加稀土(re)元素是耐热镁合金研发的主要方向。近年来，在mg-zn系合金中添加稀土(re)元素提高其高温性能近年来被广泛研究，在mg-zn-re铸造合金体系中含有大量的金属间化合物，包括i相、w相和lpso相。这些相的存在主要随zn/re比值变化而变化。随着zn/re重量比的降低，主要的第二相由i相转变为w相和lps0相。当zn/re重量比为4-6时，合金中主要析出i相；当zn/re质量比为0.35-0.55时，合金中主要析出lpso相；当zn/re质量比为1.5-2时，合金中主要析出w相。其中被广泛研究的是含有w相增强的mg-zn-y和mg-zn-gd等mg-zn-re系合金，w相具有理想的热稳定性，有利于提高合金的抗蠕变性能。

4、由于稀土元素成本较高，因此限制了耐热镁合金的应用和发展。因此减少耐热镁合金中纯稀土元素的含量成是耐热镁合金的主要发展方向，例如通过添加碱土元素替代稀土元素，例如添加ca、sr等制备的aj、ax系列耐热镁合金，或者使用便宜的混合稀土代替纯价格较高的纯稀土元素，例如ae42和ae44等合金。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题提供一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金、制备方法及应用。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金，其特征在于，按质量百分比包括：zn 4.0wt.％～6.0wt.％、ca 0.5wt.％～2.0wt.％、gd 2.0wt.％～3.0wt.％，余量为mg和不可避免的杂质；

4、mg-zn-ca-gd合金中包括以下相：α-mg基体相、树枝状和层片状的ca2mg6zn3相、层片状的mg3zn3gd2相(w相)、mg-zn-gd纳米相。

5、进一步的，所述树枝状ca2mg6zn3相的长度为100-200μm，层片状ca2mg6zn3相和mg3zn3gd2相的长度为0.5-20μm，mg-zn-gd纳米相晶粒尺寸为5-50nm。

6、进一步的，所述树枝状ca2mg6zn3相位于枝晶间，长度10-20μm的mg3zn3gd2相位于枝晶间，部分枝晶间的ca2mg6zn3相和mg3zn3gd2相相互连接；层片状的ca2mg6zn3相和长度为0.5-10μm的mg3zn3gd2相分布于基体中；mg-zn-gd纳米相弥散分布于基体中。

7、一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1：称取原料，镁锭、锌、mg-10ca中间合金、mg-10gd中间合金；预处理后烘干；

9、步骤2：将镁锭置于500℃条件下，通入保护气氛，保温t1时间；

10、步骤3：升温至650℃，镁锭熔化后保温t2时间；加入锌和mg-10ca中间合金，保温t3时间；

11、步骤4：升温至750℃，保温t4时间；加入mg-10gd中间合金，保温t5时间；

12、步骤5：将合金液倒入模具中，冷却得到的铸锭均匀化处理，空冷后即可得到所需mg-zn-ca-gd合金。

13、进一步的，所述步骤5中均匀化处理条件如下：

14、在400℃～450℃条件下，保温8～12小时。

15、进一步的，所述步骤1中预处理为去除合金原料表面的氧化皮。

16、进一步的，所述步骤2中保护气氛为sf6和co2，sf6和co2的流量比为1:99。

17、进一步的，所述步骤4之后静置一定时间，杂质上浮后，去除杂质；然后倒入预热后的模具。

18、进一步的，所述步骤2中t1时间为1小时，t2时间为30min，t3时间为30min，t4时间为30min，t5时间为30min。

19、一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的应用，所述mg-zn-ca-gd合金用于高温服役条件下结构件的制备。

20、本发明的有益效果是：

21、(1)本发明提供的合金中含有多尺度热稳定性好的第二相，从微米级的析出相到弥散分布的纳米颗粒，可以阻碍蠕变过程中位错和晶界的滑动；

22、(2)本发明提供的合金在蠕变过程中会在柱面析出针状第二相，有利于阻碍蠕变过程中位错的滑移；

23、(3)本发明合金成分简单，稀土元素含量低，在150℃具有优异的抗蠕变性能，扩展了耐热抗蠕变镁合金的工业领域。

技术特征：

1.一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金，其特征在于，按质量百分比包括：zn 4.0wt.％～6.0wt.％、ca 0.5wt.％～2.0wt.％、gd 2.0wt.％～3.0wt.％，余量为mg和不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金，其特征在于，所述树枝状ca2mg6zn3相的长度为100-200μm，层片状ca2mg6zn3相和mg3zn3gd2相的长度为0.5-20μm，mg-zn-gd纳米相晶粒尺寸为5-50nm。

3.根据权利要求2所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金，其特征在于，所述树枝状ca2mg6zn3相位于枝晶间，长度10-20μm的mg3zn3gd2相位于枝晶间，部分枝晶间的ca2mg6zn3相和mg3zn3gd2相相互连接；层片状的ca2mg6zn3相和长度为0.5-10μm的mg3zn3gd2相分布于基体中；mg-zn-gd纳米相弥散分布于基体中。

4.如权利要求1～3任一所述多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，所述步骤5中均匀化处理条件如下：

6.根据权利要求4所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求4所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求4所述的一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的制备方法，其特征在于，

10.如权利要求1～3任一所述一种多尺度相强化的耐热抗蠕变mg-zn-ca-gd合金的应用，其特征在于，所述mg-zn-ca-gd合金用于高温服役条件下结构件的制备。

技术总结
本发明公开了一种多尺度相强化的耐热抗蠕变Mg‑Zn‑Ca‑Gd合金、制备方法及应用，其特征在于，按质量百分比包括：Zn 4.0wt.％～6.0wt.％、Ca 0.5wt.％～2.0wt.％、Gd 2.0wt.％～3.0wt.％，余量为Mg和不可避免的杂质；Mg‑Zn‑Ca‑Gd合金中包括以下相：α‑Mg基体相、树枝状和层片状的Ca<subgt;2</subgt;Mg<subgt;6</subgt;Zn<subgt;3</subgt;相、层片状的Mg<subgt;3</subgt;Zn<subgt;3</subgt;Gd<subgt;2</subgt;相、Mg‑Zn‑Gd纳米相；本发明提供的合金中含有多尺度热稳定性好的第二相，从微米级的析出相到弥散分布的纳米颗粒，可以阻碍蠕变过程中位错和晶界的滑动；在蠕变过程中会在柱面析出针状第二相，有利于阻碍蠕变过程中位错的滑移；合金成分简单，稀土元素含量低，在150℃具有优异的抗蠕变性能。

技术研发人员：刘满平,崔壮,曾迎,王奎,赵信毅,彭振,陈雪飞
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5