轻重稀土复合强化耐热镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种轻重稀土复合强化耐热镁合金及其制备方法，属于有色金属材料及其加工技术领域。解决了现有技术中镁合金的高温力学性能比较差的技术问题，提高稀土镁合金的热性能、力学性能及稳定性。本发明专利技术的镁合金，成分为7.0～9.0wt％的Gd，>0且≤1.5wt％的Ce，1～1.5wt％的Zn，0.4～0.6wt％的Zr，余量为Mg及不可避免的杂质元素。该镁合金具有高强度和优异的耐热性能，经检测，性能可以达到：室温(25℃)时抗拉强度为395MPa，屈服强度为366MPa，延伸率为9.5％；200℃时抗拉强度为365MPa，屈服强度为328MPa，延伸率为7.5％；250℃时抗拉强度为354MPa，屈服强度为322MPa，延伸率为10.5％。

【技术实现步骤摘要】
轻重稀土复合强化耐热镁合金及其制备方法
本专利技术属于有色金属材料及其加工
，具体涉及一种轻重稀土复合强化耐热镁合金及其制备方法。
技术介绍
镁合金具有低密度、高比强度以及较好的再循环利用性等优点，在轻量化、节能、环保等诸多方面受到青睐。基于成形过程分类，镁合金制件主要分为压铸成型和变形加工两大类。镁合金压铸成型具有低成本和高生产率的优势，因而被广泛应用于汽车、建筑以及电子等领域。需要指出的是，虽然压铸镁合金能够满足强度的要求，但是压铸镁合金的室温塑性却很低。相比之下，镁合金变形加工后可获得更高的强度和塑性。变形镁合金是指通过挤压、轧制、锻造等塑性成型方式加工的镁合金，其可通过组织控制和热处理等方式来提升性能，获得比铸造镁合金更高的强度和塑性，更多样化的强韧配比来满足工程结构件的力学性能要求。变形镁合金主要有以下体系：Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-RE系等。Mg-Al系是目前应用最广泛的体系，该系合金具有良好的铸造性能，室温强度高，可热处理强化。但是，因为该系合金主要强化相Mg17Al12相在高温时易粗化，从而导致该系合金的高温力学性能比较差。大部分稀土在镁中具有一定的固溶度，能够产生良好的固溶强化效果。此外，稀土原子与镁原子能够形成热稳定性良好的第二相，且这种第二相在高温时比较稳定，能够有效钉扎位错和阻碍晶界滑移。因此，稀土在镁合金耐热改性方面已经获得了广泛的应用。但是，现有技术中的稀土镁合金热性能不够稳定，高温时强度下降较多，并且力学性能也有待提高。如英国WE54的含钕的稀土镁合金，其成分为Mg-5.1％Y-3.2％RE(1.5％～2％Nd)-0.5％Zr，该合金室温抗拉伸强度为280MPa，屈服强度为205MPa，延伸率为4％，250℃抗拉伸强度为230MPa，屈服强度为175MPa，延伸率为9％。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为解决现有技术中镁合金的高温力学性能比较差的技术问题，提高稀土镁合金的热性能、力学性能及稳定性，提供一种轻重稀土复合强化耐热镁合金及其制备方法。本专利技术提供一种轻重稀土复合强化耐热镁合金，成分为：7.0～9.0wt％的Gd；>0且≤1.5wt％的Ce；1～1.5wt％的Zn；0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。优选的是，所述轻重稀土复合强化耐热镁合金的成分为：8.0wt％的Gd；0.5wt％的Ce；1.2wt％的Zn；0.5wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。优选的是，所述不可避免的杂质元素为Fe、Cu、Si、Ni中的一种或多种，各杂质元素质量百分比要求为：Fe≤0.005wt％，Cu≤0.0005wt％，Si≤0.005wt％，Ni≤0.0005wt％。本专利技术还提供上述轻重稀土复合强化耐热镁合金的制备方法，步骤如下：步骤一、将镁源、锌源、钆源、铈源和锆源进行熔炼，得到合金液；步骤二、将合金液降温后浇入模具中，得到铸件；步骤二、将铸件挤压加工，得到轻重稀土复合强化耐热镁合金。优选的是，所述步骤一中，镁源为镁锭，锌源为锌锭，钆源为钆锭和/或镁钆中间合金锭，铈源为铈锭和/或镁铈中间合金锭，锆源为锆锭和/或镁锆中间合金锭。优选的是，所述步骤一中，镁源、锌源、钆源、铈源和锆源进行熔炼前，需去掉表面氧化层，并进行预热，预热温度为200～300℃。优选的是，所述步骤一中，熔炼的方法为：将容器加热后加入镁源，一次升温后依次加入锌源、钆源和铈源；然后进行二次升温加入锆源，得到金属液；将金属液进行除氢精炼，得到合金液。更优选的是，所述步骤一中，熔炼的方法为：将容器加热至500～600℃，在保护性气体的条件下，加入镁源，待镁源熔化后进行一次升温，一次升温的温度为730～745℃，依次加入锌源、钆源和铈源，待锌源、钆源和铈源熔化后，撇去表面浮渣，搅拌10～20min，然后进行二次升温，二次升温的温度为745～770℃，加入锆源，待锆源熔化后，在740～760℃，通入高纯氩气20～40s，加入熔剂，熔剂融入金属液后，静置40min以上；所述熔剂的用量为镁源、锌源、钆源、铈源和锆源总质量的1.0～1.5％。优选的是，所述步骤二中，降温温度为700～720℃；模具为水冷钢制模具；浇入模具前先撇去合金液表面浮渣；铸件为铸棒。优选的是，所述步骤三中，挤压加工前，对铸件进行车削去除表面氧化层，挤压模具在挤压温度保温至少50min；挤压加工的温度为330～390℃；挤压加工的保温时间为60～100min；挤压加工的挤压比为4～7；挤压加工的挤压速度为0.1～0.2mm/s。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术的轻重稀土复合强化耐热镁合金，以重稀土Gd和轻稀土Ce为主要的合金元素，一方面可以提高过冷度，起到细化晶粒的作用，净化熔体，降低层错能，有效改善铸态合金的塑性，有利于后续的挤压加工；另一方面，在镁中同时加入不同族的稀土，可以降低彼此的固溶度，能够更好的发挥第二相强化效果；再一方面，稀土元素Gd和Ce与镁合金形成的Mg3(Gd,Ce)、Mg12Zn(Gd,Ce)具有相对高的熔点和良好的热稳定性，能够在高温条件下有效阻碍位错滑移和晶界滑动，进而显著提高合金的强度和耐热性能；加入少量的Zn能够在晶界形成LPSO相，可以阻止晶界高温下的滑移，提高合金的高温稳定性；微量Zr加入促进形核；经检测，本专利技术的轻重稀土复合强化耐热镁合金的性能可达到：室温(25℃)时抗拉强度为395MPa，屈服强度为366MPa，延伸率为9.5％；200℃时抗拉强度为365MPa，屈服强度为328MPa，延伸率为7.5％；250℃时抗拉强度为354MPa，屈服强度为322MPa，延伸率为10.5％。有望使用于服役温度高于250℃的承力结构件上。2、本专利技术的轻重稀土复合强化耐热镁合金的制备方法工艺简单，无需特殊设备，适用于大规模生产。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1的轻重稀土复合强化耐热镁合金的铸态金相组织。图2中，a为本专利技术实施例1的轻重稀土复合强化耐热镁合金在360℃挤压后得到的变形组织，b为本专利技术实施例1的轻重稀土复合强化耐热镁合金在360℃挤压后得到的变形EBSD分析结果。具体实施方式为了进一步了解本专利技术，下面对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的限制。本专利技术的轻重稀土复合强化耐热镁合金，成分为：7.0～9.0wt％的Gd、>0且≤1.5wt％的Ce、1～1.5wt％的Zn和0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。本专利技术的轻重稀土复合强化耐热镁合金，在Mg中加入少量的Zn能够在晶界形成LPSO相，可以阻止晶界高温下的滑移，提高合金的高温稳定性。加入微量Zr促进形核。加入稀土元素Gd和Ce，一方面可以提高过冷度，起到细化晶粒的作用，净化熔体，降低层错能，有效改善铸态合金的塑性，有利于后续的挤压加工；另一方面可以降低彼此的固溶度，更好的发挥第二相强化效果；再一方面，稀土元素G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.轻重稀土复合强化耐热镁合金，其特征在于，成分为：7.0～9.0wt％的Gd；>0且≤1.5wt％的Ce；1～1.5wt％的Zn；0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.轻重稀土复合强化耐热镁合金，其特征在于，成分为：7.0～9.0wt％的Gd；>0且≤1.5wt％的Ce；1～1.5wt％的Zn；0.4～0.6wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的轻重稀土复合强化耐热镁合金，其特征在于，所述轻重稀土复合强化耐热镁合金的成分为：8.0wt％的Gd；0.5wt％的Ce；1.2wt％的Zn；0.5wt％的Zr；余量为Mg及不可避免的杂质元素。3.根据权利要求1所述的轻重稀土复合强化耐热镁合金，其特征在于，所述不可避免的杂质元素为Fe、Cu、Si、Ni中的一种或多种，各杂质元素质量百分比要求为：Fe≤0.005wt％，Cu≤0.0005wt％，Si≤0.005wt％，Ni≤0.0005wt％。4.权利要求1～3任何一项所述的轻重稀土复合强化耐热镁合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、将镁源、锌源、钆源、铈源和锆源进行熔炼，得到合金液；步骤二、将合金液降温后浇入模具中，得到铸件；步骤二、将铸件挤压加工，得到轻重稀土复合强化耐热镁合金。5.根据权利要求4所述的轻重稀土复合强化耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，镁源为镁锭，锌源为锌锭，钆源为钆锭和/或镁钆中间合金锭，铈源为铈锭和/或镁铈中间合金锭，锆源为锆锭和/或镁锆中间合金锭。6.根据权利要求4所述的轻重稀土复合强化耐热镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，镁源、锌源、钆源、铈源和锆源进行熔炼前，需去掉表面氧化层，并进行预热，预热温度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟健，李柏顺，张栋栋，管凯，杨强，孙伟，牛晓东，邱鑫，田政，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22