适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种适于低压铸造的高强韧耐热Mg‑Gd合金及其制备方法，所述合金化学成分质量百分比含量为：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％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中至少一种元素。本发明专利技术的适于低压铸造的高强韧耐热Mg‑Gd合金经低压铸造、二级固溶处理与人工时效热处理后，室温抗拉强度为280MPa以上，延伸率为16％以上；200℃下高温拉伸抗拉强度为190MPa以上，延伸率为16％以上，满足航空航天、军工、汽车等行业对轻量化发展的高端需求。

Mg-Gd Alloy with High Strength, Toughness and Heat Resistance Suitable for Low Pressure Casting and Its Preparation Method

The present invention discloses a high strength, toughness and heat-resistant Mg Gd alloy suitable for low pressure casting and its preparation method. The chemical composition percentage content of the alloy is 4.0-8.0% Gd, 1.2-4.8% Zn, 0.5-1.2% Al, 0.1-0.3% Mn, 0.01-0.08% M, and the remainder is Mg and other unavoidable impurities, of which M is at least one element in Ti and B. After low pressure casting, secondary solution treatment and artificial aging heat treatment, the high strength and toughness heat-resistant Mg Gd alloy of the invention has room temperature tensile strength of more than 280 MPa and elongation of more than 16%, and high temperature tensile strength of more than 190 MPa and elongation of more than 16% at 200 (?) C, which meets the high-end requirements of lightweight development in aerospace, military and automotive industries.

【技术实现步骤摘要】
适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金及其制备方法
本专利技术属于工业用镁合金及其制造领域，具体涉及一种适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金及其制备方法。
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。低压铸造是在密封的坩埚内通入干燥的压缩空气或惰性气体，借助于作用于金属液面上的压力，将液态合金沿升液管自下而上通过浇道平稳地压入金属型或砂型等铸型型腔，并在压力作用下凝固获得铸件的铸造方法。与目前普遍采用的合金压铸工艺相比较，低压铸造是生产大型形状复杂高致密铸件的方法。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。锌Zn是镁合金中重要的合金元素，在Mg中的最大固溶度高达6.2wt％，能起到固溶强化和时效强化作用。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，但是其断后伸长率降低，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℃，JournalofMaterialsScience45(14)(2010)3797～3803.)导致热裂倾向极为严重，不能用于压铸。稀土元素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。中国专利技术专利201410564817.1(高导热可压铸Mg-Y-Zr系多元镁合金及其制备方法)报道了一种高导热压铸耐腐蚀镁合金，该镁合金的成分含量为Y的含量为1.5～4wt.％，Mn的含量为0.001～1wt.％，Zn的含量为0.001～2wt.％，Ca的含量为0.001～1wt.％，Zr的含量为0.4～0.8wt.％，其余为Mg；由于该合金中的Ca元素的加入急剧增大了合金的凝固温度区间，增加热裂倾向，压铸铸锭抗拉强度仅为140～190MPa。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(MaterialsScienceandEngineering:A695(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，中国专利技术专利201610056992.9(一种多纳米相复合增强镁合金及其制备方法)报道的多纳米相复合强化增强的变形镁合金，其成分为Mg-Gd-Zn合金，其中Gd含量10～25wt％，Zn含量1～5wt％，余量为Mg，其中Gd的质量百分含量与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，说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。中国专利技术专利201310105667.3(生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金及其制备方法)报道了一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金及其制备方法，其中该合金由Gd、Zn、Ag、Zr和Mg组成，各组分的重量百分含量为：Gd5～10％，Zn0.5～3％，Ag0.1～1％，Zr0.1～1％，余量为Mg。该合金的制备方法包括以下步骤：“(1)熔炼：将如下原料加入熔炼炉中进行熔炼：Gd采用Mg-Gd中间合金，Zn采用纯锌，Ag采用纯银，Zr采用Mg-Zr中间合金，余量的Mg采用纯镁；上述原料在保护气体环境下熔炼后，铸造成Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金铸锭；(2)均匀化处理：将步骤(1)获得的Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金铸锭在480～550℃下保温6～24小时；(3)将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金在250～350℃保温1～3小时后进行挤压或轧制变形。”上述专利技术存在的技术问题为：稀土元素Gd含量太高导致其密度过大，同时昂贵的稀土价格导致该专利技术很难在工业上进行大规模的应用。没有Al和Mn等元素细化晶粒，尽管可通过Ag和Zr进行细化，但是在常规凝固条件下的晶粒粗大，而且Mg-Gd-Zn析出相常常呈粗大的网状结构，恶化了其力学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于低压铸造的高强韧耐热Mg‑Gd合金，其特征在于，所述Mg‑Gd合金包括按质量百分数计的如下元素：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％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和B中的至少一种元素。

【技术特征摘要】
1.一种适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于，所述Mg-Gd合金包括按质量百分数计的如下元素：4.0～8.0％Gd、1.2～4.8％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和B中的至少一种元素。2.如权利要求1所述的适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于，所述Zn与Gd的质量比为0.2～0.6:1。3.如权利要求1所述的适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于，所述Zn和Al的总质量与Gd的质量比为0.3～0.7:1。4.如权利要求1所述的适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金，其特征在于，以占所述Mg-Gd合金总重的重量百分数计，所述M为Ti和B的组合元素时，Ti的质量分数为0.01～0.05％、B的质量分数为0.01～0.03％。5.一种如权利要求1～4中任一项所述的适于低压铸造的高强韧耐热Mg-Gd合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括包括如下步骤：S1、将工业纯镁锭、工业纯锌、工业纯铝锭、Mg-Gd中间合金和Mg-Mn中间合金去除氧化层并烘干预热至180-200℃；按所述Mg-Gd合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量；S2、将占坩埚高度20-25％的工业纯镁锭在675-685℃、通入保护气体的条件下熔化；S3、待所述镁锭全部熔化后，升温至700～710℃，将所述纯锌、Mg-Gd中间合金和Mg-Mn中间合金分2～4次加入，保持温度恒定在700～710℃，搅拌至熔化，并保温30-40分钟；S4、低压铸造前40～60分钟，升温至730-740℃，加入所述铝锭、Al-M中间合金，熔化，精炼，升温至750～760℃保温静置10～20分钟，得到镁合金熔体；S5、将所述镁合金熔体降温至720～740℃，撇...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶兵，刘子利，孔向阳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31