适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供了适于重力铸造的高强韧耐热Mg‑Gd合金及其制备方法，该合金化学成分质量百分比含量为：4.0～10.0％Gd、2.0～6.0％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg；其中M为Ti，B中一种或两种元素。制备方法：(1)按Mg‑Gd合金成分进行配料；(2)将工业纯镁锭熔化；(3)升温至700℃，将工业纯锌和Mg‑Gd和Mg‑Mn中间合金熔化；(4)升温至730℃，加入工业纯铝锭、Al‑Ti、Al‑Ti‑B、Al‑B中间合金全部熔化后，精炼得到镁合金熔体；(5)重力铸造；(6)二级固溶、人工时效处理。本发明专利技术的合金经重力铸造、二级固溶处理与人工时效热处理后，室温抗拉强度为300MPa，延伸率15％；200℃下高温拉伸抗拉强度为218MPa，延伸率20％，满足航空航天、汽车、电讯等行业对轻量化发展的高端需求。

【技术实现步骤摘要】
适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金及其制备方法
本专利技术涉及适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，满足航空航天、汽车、电讯等行业对轻量化发展的高端需求。本专利技术还涉及适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金的制备方法，属于工业用镁合金及制造领域。
技术介绍
镁合金作为最轻的工程金属材料(镁的密度为铝的2/3，钢的1/4)，其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度虽然与铝合金和钢相当，但远高于工程塑料，同时具有良好的铸造性、切削加工性好、导热性好、阻尼性以及电磁屏蔽能力强和易于回收等一系列优点，在航空、航天、汽车、电子及国防军工等领域有着广泛的应用前景。镁合金成为替代铝合金、钢铁和工程塑料以实现轻量化的理想材料，其中替代潜力最大的是铝合金。铸造铝合金具有必要的强韧性能和热稳定性，目前已经广泛用于生产发动机缸体和缸盖及轮毂等零件，代表的合金为A354、A356和A380。如果镁合金取代铸造铝合金，它必须具备等同的强韧性能，且价廉、易于铸造。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的铸造方法，包括砂型浇铸、熔模铸造、金属型铸造等。与目前普遍采用的合金压铸工艺相比较，重力铸造的投资成本大为降低，是生产几何形状复杂铸件的主要方法。Mg-Al类镁合金的应用最早，其主要合金元素铝和镁的原子半径差较大同时在镁中有较大的固溶度，在合金中起固溶强化和析出强化的作用。在1925年发现少量的Mn显著提高Mg-Al-Zn系镁合金的耐蚀性后，AZ(如AZ91)和AM系镁合金(如AM60、AM50)发展成为目前应用最广泛的商业化镁合金。然而AZ和AM镁合金的高温蠕变性能很差，比常用铝合金低一个数量级还多，在温度高于150℃时的拉伸强度迅速降低，其原因在于在高温蠕变过程中过饱和的α-Mg基体在晶界处的Mg17Al12相非连续析出。通过加入合金元素以改善析出相的特性(晶体结构、形态及热稳定性)来提高Mg-Al合金的耐热性能，但其常温和高温力学性能仍无法达到铸造铝合金的水平，严重限制了其应用发展。例如，申请公布号为CN109136701A的专利文献(一种砂型重力铸造镁合金材料及其制备方法)公开的镁合金成分含量为：3.5～4.5wt.％Al，0.5～4.5wt.％的La、Ce、Pr中的一种或几种的混合稀土，0.2～0.5wt.％Mn，0.01～2.5wt.％的Gd、Y、Sm、Nd、Er、Eu、Ho、Tm、Lu、Dy、Yb中的一种或几种混合稀土，其余为Mg；所报道的合金的最佳常温力学性能：抗拉强度231MPa，延伸率11.4％。锌Zn在Mg中的最大固溶度高达6.2wt％，是高强镁合金的重要合金化元素。典型的Mg-Zn系铸造镁合金包括ZK51A和ZK60A，变形合金包括ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A和ZK61等。随Zn含量增加，合金的抗拉强度和屈服强度提高，断后伸长率略有下降，但是铸造性能、工艺塑性和焊接性能恶化，特别是因凝固范围过宽(例如ZK60的凝固区间高达265℃，JournalofMaterialsScience,45(14)(2010)3797-3803)，导致其热裂倾向极为严重。稀土元素RE(rareearthelement)对镁合金强度性能的有益作用和锆对镁合金的晶粒细化作用都是在二十世纪三十年代发现的，Mg-RE-Zr系(EK30,EK31,EK41)中EK31成为Mg-Zr类中最早开发成功的高温铸造镁合金。基于稀土RE元素的镁稀土合金具有优异的时效硬化效应，多种以RE为主加元素的新型镁合金先后被开发出来，如Mg-Y系的WE54、WE43合金等。申请公布号为CN1676646A的专利文献(高强度耐热镁合金及其制备方法)公开了一种高强度耐热镁合金的制备方法，所专利技术的Mg-Gd-Y-Zr(-Ca)稀土镁合金的组分及其重量百分比为：6～15％Gd、1～6％Y、0.35～0.8％Zr，0～1.5％Ca，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。然而，采用该类合金进行砂型铸造时，晶粒尺寸达到90μm，铸造T6态合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别仅为295MPa、212MPa和2.2％(申请公布号为CN104928548A的专利文献公开的一种适于砂型铸造的高强耐热镁合金及其制备方法)；同时Ca的加入虽然提高了合金的屈服强度和高温强度，也急剧增大了合金的凝固温度区间，增加热裂倾向，降低了合金的工艺性能。重稀土元素Gd在镁合金中的固溶度(25wt％)很高，有强烈的固溶强化和时效强化作用，添加Gd可以大幅提高镁合金的致密性、铸造性能、三温(低温、室温和高温)性能、抗蠕变性能以及抗腐蚀性能。早在1974年研究者就发现，经过挤压、调质和时效处理的Mg-15wt％Gd合金在高温和低温都具有较高的抗拉强度。虽然高Gd含量导致合金的密度和成本增加，但研究人员通过协调添加合金化元素，如Sc、Mn、Nd、Y、Zr，致力于保持含钆镁合金的力学性能优势,尽量减少负面影响，研制了一些有发展前途的多元含钆镁合金，如Mg-Gd-Y-Mn、Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Gd-Nd-Zr和Mg-Gd-Sc-Mn等。在Mg-Gd合金中加入廉价的Zn，不仅对调控该合金系的时效析出组织有较为显著的作用，而且在不同的Zn/Gd比条件下可以形成多种强化相：当合金中Zn/Gd质量比≥2.49(原子比≥6.0)时容易形成二十面体准晶体结构I相(Mg3Zn6Gd)；当合金中Zn/Gd质量比介于0.62和2.49之间(原子比介于1.5和6.0)时容易形成面心立方结构W相(Mg3Zn3Gd2)和I相；当合金中Zn/Gd质量比介于0.42和0.62之间(原子比介于1.0和1.5)时容易形成W相和长周期堆垛有序结构LPSO相(Mg12ZnGd)；当合金中Zn/Gd质量比≤0.42(原子比≤1.0)时容易形成LPSO相(MaterialsScienceandEngineeringA,695(2017)135-143)。多种Mg-Gd-Zn强化相可以进一步提高镁合金的室温强度及高温性能，除强化相W外，LPSO相的弹性模量和显微硬度均比纯镁的要高很多，能够显著提高镁合金的强度和塑性，使合金展现出优异的综合力学性能。研究发现，在Mg-RE-Zn系中仅当稀土元素是Y、Gd、Er、Dy、Ho、Tb、Tm可形成LPSO结构(MaterialsTransactions，48(11)(2007)2986-2992)。申请公布号为CN105506426A的专利文献(一种多纳米相复合增强镁合金及其制备方法)公开的多纳米相复合强化增强的变形镁合金，该Mg-Gd-Zn合金的质量百分组成为：10～25％Gd、1～5％Zn、余量为Mg，其中Gd与Zn的质量百分含量差值不低于8；其制备方法为通过分级挤压及多级热处理工艺获得一种力学性能优异的变形镁合金材料，所述的热处理温度区间为200～550℃，其中固溶处理温度区间520～550℃，保温时间为5～15h；高温相析出处理温度区间450～520℃，保温时间为10～120h；低温相析出处理温度区间200～350℃，保温时间为15～100h。申请公布号为CN103184379A的专利文献(生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.适于重力铸造的高强韧耐热Mg‑Gd合金，其特征在于包括如下质量百分比的元素：4.0～10.0％Gd、2.0～6.0％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg和其他不可避免的杂质；其中，M为Ti、B中一种或两种。

【技术特征摘要】
1.适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于包括如下质量百分比的元素：4.0～10.0％Gd、2.0～6.0％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg和其他不可避免的杂质；其中，M为Ti、B中一种或两种。2.如权利要求1所述的适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于：Zn/Gd质量比为0.2～0.7。3.如权利要求1所述的适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于：(Zn+Al)/Gd质量比为0.3～0.8。4.如权利要求1～3任一项所述的适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按Mg-Gd合金成分及化学计量比，计算工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯铝锭、Mg-Gd中间合金、Mg-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Ti-B中间合金和Al-B中间合金的用量；将工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯铝锭、Mg-Gd中间合金和Mg-Mn中间合金均去除氧化层并烘干预热至200℃；(2)将占坩埚高度25％的工业纯镁锭熔化成熔池后，通入保护气体，加入剩余镁锭；(3)待镁锭全部熔化后，升温至700℃，将工业纯锌和Mg-Gd和Mg-Mn中间合金分多次加入，并保持温度恒定在700℃，进行搅拌直至全部熔化，并保温30min；(4)重力铸造前40～60min，升温至730℃，待依次加入的工业纯铝锭、Al-Ti中间合金、Al-Ti-B中间合金、Al-B中间合金全部熔化后，加入精炼剂进行精炼，将炉温升至750℃保温静置10～20min，促进夹杂沉降，得到镁合金熔体；(5)将所述的镁合金熔体降温至720～740℃之间除渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至25～150℃的砂型铸型或180～250℃金属型模具中，冷却后得到所述的高强韧耐热铸造Mg-Gd合金；(6)对所得的铸态合金依次进行二级固溶处理、人工时效处理获得所需的高强韧耐热铸造Mg-Gd合金。5.如权利要求4所述的适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金的制备方法，其特征在于：所述Mg-Gd中间合金为MgGd25或MgGd30，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘子利，叶兵，刘希琴，刘思雨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32