一種高強度高彈性模量鑄造鎂合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強度高彈性模量鑄造鎂合金及其制備方法，屬于鎂合金加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、導熱性好、機加工性能優(yōu)良等優(yōu)點，在汽車、航空航天等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。近年來，航空航天及交通運輸工具的速度越來越高，所需的動力功率越來越大，構(gòu)件的穩(wěn)定性要求高可靠，對鎂合金的剛度以及抗彈性變形能力提出了更高的要求。同時，航空航天鎂合金部件大多因結(jié)構(gòu)復雜、尺寸大而采用鑄造方法生產(chǎn)。合金化是提高合金力學性能的有效手段。從上世紀四十年代以來，相繼開發(fā)了一系列具備優(yōu)異性能的鎂稀土合金(Mg - RE)，如國外研發(fā)的含稀土釔(Y)和釹(Nd)的鎂合金WE54、WE43等，以及國內(nèi)研發(fā)的Mg-Gd-Y系列鎂合金等。其中，WE54和WE43合金是目前發(fā)展最為成功的商業(yè)耐熱稀土鎂合金，具有很高的室溫和高溫力學性能。
[0003]近10年來，我國利用自身的鎂及稀土資源優(yōu)勢，在鎂合金的基礎(chǔ)研宄方面開展了大量的研宄工作，在新型鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用方面也初見成效。與國外的合金相比，我國開發(fā)的Mg-Gd-Y系合金性能較穩(wěn)定，室溫和高溫強度明顯優(yōu)于WE54合金，耐熱溫度更是達到了 350°C。這主要是由于Gd、Y元素在鎂基體中具有較大的固溶度，經(jīng)高溫固溶和時效處理后可形成大量的亞穩(wěn)析出相(β "和)，從而提高了合金的強度。同時，對于Mg-RE合金，目前常用Zr作為晶粒細化劑，但Zr的加入也存在工藝復雜、能耗高、損耗高以及由此造成的價格昂貴等冋題。
[0004]由于彈性模量是材料應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例系數(shù)，實際上是原子間靜電引力的表征，其數(shù)值反映了原子間結(jié)合力的大小。通常，金屬的彈性模量對組織變化不敏感，因此需要引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相來提高基體金屬的彈性模量。由混合定律可知，多相合金的彈性模量是由其組成相的彈性模量及其體積分數(shù)決定的?？上У氖?，B.Y.Tang 等在《Journal ofAlloys and Compounds))(合金與化合物雜志)2010 年第 492卷 1- 2 期 416 - 420 頁上發(fā)表的 First-principles investigat1n of the structuraland mechanical properties of β " phase in Mg - Gd alloy system (Mg - Gd 合金系中β "相的結(jié)構(gòu)與力學性能的第一性原理研宄)研宄表明，Mg - RE合金中MgGd(56.9GPa)、Mg3Gd (46.1GPa)、Mg7Gd (52.6GPa)、MgY (55.7GPa)、Mg24Y5 (53.8GPa)和 MgNd (55.4GPa)等相的彈性模量都比較低，使得Mg - RE合金的彈性模量也比較低，僅為40?45GPa，最終導致其抗彈性變形能力差，不能滿足工程領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強高模鎂合金材料的需求。因此，提高鎂合金特別是鑄造鎂合金的彈性模量是發(fā)展鎂合金材料的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強度高彈性模量鑄造鎂合金Mg - Gd - Y - L1- Al。其通過在Mg-Gd-Y合金中添加Al細化晶粒，同時添加Li形成高彈性模量的強化相，而且通過之后相應(yīng)的熱處理工藝，使該合金可滿足室溫條件下對要求抗拉強度300MPa以上、彈性模量為50?60GPa的輕質(zhì)材料和(或)零部件制造的需求。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一方面，本發(fā)明提供了一種高強度高彈性模量鑄造鎂合金，其由按如下重量百分比計的元素組成:Gd:6?12wt%、L1:1?5wt%、Y:1?5wt%、Al:2?6wt%，余量為Mg和不可避免的雜質(zhì)，其中，所述雜質(zhì)中S1、Fe、Cu和Ni的總含量小于0.03wt %。
[0008]本發(fā)明采用Gd(釓)為第一組分，因為在200°C時Gd在鎂中的固溶度為3.82wt%，為保證合金得到良好的固溶強化和時效硬化效果，Gd的加入量不能過低，同時為避免合金成本及密度的過度增加以及合金過分脆化，Gd的加入量也不能過高，結(jié)合前人的研宄結(jié)果，選擇Gd的加入量在6?12wt% ;本發(fā)明采用Y (紀)為第二組元，Y可以使得Gd在Mg中的固溶度略微降低，從而提高Gd的時效硬化效果，但是加入過多的Y會推遲時效硬化峰的出現(xiàn)，進而降低合金的強度，提高成本，因此Y的含量選擇控制在I?5wt% ;本發(fā)明選用Li (鋰)為第三組元，Li與Al形成具有高彈性模量的Al3Li強化相呈球狀，具有LI2型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.4nm，可以顯著改善合金的彈性模量；本發(fā)明選用Al (鋁)為第四組元，部分Al與稀土元素Gd、Y可形成Al - RE金屬間化合物，在凝固過程中作為Mg基體的異質(zhì)形核核心，達到細化晶粒、提高合金力學性能的效果，同時分布在晶界上的Al - RE顆粒還可以阻礙晶界的運動，提高晶粒的熱穩(wěn)定性，另一部分Al與Li形成強化相，因此Al的含量選擇控制在2?6wt %。另一方面，本發(fā)明還提供了上述鎂合金的制備方法，其特征在于，包括依次進行的真空熔煉和熱處理兩個步驟。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述真空熔煉步驟包括如下操作:
[0010]按鎂合金中元素的化學計量比配料后，將純Mg、純Al、中間合金Mg - Gd和Mg - Y在170?230°C預熱3小時以上；
[0011]將預熱后的純Mg、純Al、中間合金Mg-Gd和Mg-Y在400?500°C下，于0.3?0.7個大氣壓中進行升溫熔化；
[0012]待純Mg、純Al、中間合金Mg - Gd和Mg - Y完全溶化后，繼續(xù)升溫至700?760°C后加入純Li，待純Li完全熔化后，將熔體升溫至720?740°C，攪拌后靜置，待熔體溫度降至710?740 °C后澆鑄成合金錠。
[0013]作為優(yōu)選方案，所述中間合金Mg - Gd中，Gd的含量為20?50wt%。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述中間合金Mg - Y中，Y的含量為20?50wt%。
[0015]作為優(yōu)選方案，所述澆鑄操作所用的鋼制模具預先加熱至170?250°C。
[0016]作為優(yōu)選方案，所述熱處理步驟包括如下操作:將真空熔煉步驟中得到的合金錠在450?530°C下進行6?30h的固溶處理，然后在200?260°C下進行6?50h的時效處理。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018](I)本發(fā)明采用真空感應(yīng)熔煉爐進行熔煉，降低了熔煉過程中夾雜物的產(chǎn)生，并大幅度降低了熔體在較高溫度下的停留時間；
[0019](2)本發(fā)明采用Mg - Gd和Mg - Y中間合金間接添加Gd和Y元素，能夠用純Mg錠稀釋中間合金熔煉過程中帶來的較多夾雜物。本發(fā)明所述制備方法不僅有效降低了熔煉后合金中的夾雜物，而且也降低了熔煉時合金保護難度，同時減少了 Gd和Y的燒損，提高合金的收得率，在保證合金強度和彈性模量的同時降低了合金的成本；
[0020](3)本發(fā)明所述高強度高彈性模量鑄造鎂合金中的Al - RE相是在澆注后的凝固過程中長大的，澆注前合金中并無大顆粒相存在，細化效果持續(xù)時間久，抗衰退性好；在晶界處有很多Al - RE顆粒相，該相熔點高，在高溫固溶過程中能夠穩(wěn)定存在，提高了所述高強度鑄造鎂合金中細小晶粒的熱穩(wěn)定性；
[0021](4)本發(fā)明所述高強度高彈性模量鑄造鎂合金中的Al - Li相(Al3Li)可以有效提高合金的彈性模量；
[0022](5)本發(fā)明對所述鎂合金在不同溫度下的固溶和時效行為進行了系統(tǒng)研宄，獲得了固溶和時效處理的優(yōu)化工藝參數(shù)，從而使所述鎂合金在優(yōu)化的熱處理工藝條件下能夠達到充分發(fā)揮其固溶強化和時效硬化的效果。
【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0024]圖1為經(jīng)本發(fā)明T6熱處理態(tài)Mg - 6Gd - 5Y - 5L1- 6A1鎂合金的金相組織照片；
[0025]圖2為經(jīng)本發(fā)明T6熱處理態(tài)Mg - 12Gd - Y - L1- 2A1鎂合金的金相組織照片；
[0026]圖3為經(jīng)本發(fā)明T6熱處理態(tài)Mg - 9Gd - 3Y - 3L1- 4A1鎂合金的金相組織照片。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0028]本發(fā)明通過在Mg - Gd - Y合金中添加廉價的Al原位生成Al - RE金屬間化合物作為基體的異質(zhì)形核核心，細化了合金且細化后的晶粒具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性；同時添加Li形成高彈性模量的強化相，而且通過之后相應(yīng)的熱處理工藝，使該合金具有較高的強度和彈性模量。
[0029]本發(fā)明所提供的高強度高彈性模量鑄造鎂合金Mg-Gd-Y-L1-Al的組分及其質(zhì)量百分比為:6?12wt % Gd(禮)、1?5wt % Y(?乙)、1?5wt % Li (鋰)、2?6wt %Al (銷)，雜質(zhì)元素Si (娃)、Fe (鐵)、Cu (銅)和Ni (镲)的總量小于0.03wt %，余量為Mg(鎂
[0030]所述的是指組分占所配制的合金總質(zhì)量的百分比，該總質(zhì)量為Mg、Al、Li和各種中間合金的質(zhì)量和。
[0031]本發(fā)明所述的高強度高彈性模量鑄造鎂合金Mg-Gd-Y-L1-Al的制備方法分為兩個階段，即真空熔煉和隨后的熱處理工藝工序；其中:
[0032]所述的真空熔煉工藝步驟如下:
[0033](I)烘料:將純Mg、純Al、中間合金Mg-Gd和Mg-Y在170?230°C預熱3小時以上，而純Li不需要預熱；
[0034](2)熔Mg、Gd、Y和Al:將真空感應(yīng)熔煉爐中的坩禍預熱至400?500°C，放入烘干后的純Mg、純Al、Mg - Gd和Mg - Y，Mg - Gd和Mg - Y的加入量根據(jù)兩種中間合金中Gd和Y所占質(zhì)量百分比確定；開始抽真空，經(jīng)過3?5次反充惰性氣體氬氣使真空度最終達到0.3?0.7個大氣壓，然后升溫熔化。
[0035](3)加L1:待純Mg、純Al、Mg-Gd和1%-￥完全熔化后升溫至700?760°0時真空條件下加入I?5?1:%純Li ；
[0036](4)鑄造:待純Li完全熔化后，熔體溫度回升至720?740 °C時攪拌5分鐘，然后靜置5?10分鐘，靜置后待熔體溫度至710?740°C后撇去表面浮渣并進行澆鑄成合金錠，澆鑄用鋼制模具預先加熱至170?250°C ；
[0037]所述的熱處理工藝工序為:
[0038]將真空熔煉得到的合金錠在450?530°C溫度中進行6?30小時的固溶處理，而后在200?260°C溫度中進行6?50小時的時效處理。
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