專利名稱：一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
稀土鎂合金作為一種高強(qiáng)耐熱鎂合金，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，Mg-Gd-Y系合金(GW系列鎂合金)是在Mg-Y和Mg-Gd 二元系合金的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于其具有較好的高溫力學(xué)性能，目前受到越來越廣泛的重視，例如這一系列中的著名的“Mg-10Gd-3Y” “Mg-8Gd-2Y”等。Mg-Gd-Y系合金由于具有很高的稀土溶解度和β ’’一 β ’一 β I — β的時(shí)效析出序列，因此可以通過固溶強(qiáng)化與時(shí)效強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)其組織和性能的優(yōu)化。根據(jù)Hume-Rothery規(guī)則，只有當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子的半徑差小于15%才能形成固溶體，對(duì)于Mg (d=0. 32) ,Gd和Y均可與之形成固溶體。相比其他稀土元素，Gd、Y在Mg中的固溶度均較高，最大固溶度分別可以達(dá)到23.5^^12.4% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，溶入Mg與之形成固溶體，可以起到顯著的固溶強(qiáng)化作用。另外，Gd、Y在Mg中的同溶度均很高，且隨著溫度的降低，固溶度變化較大，呈迅速遞減趨勢(shì)。在Mg中添加Gd、Y可形成理想的析出強(qiáng)化體系，時(shí)效過程中析出的Mg24Y、Mg5Gd等相在高溫下不易分解，對(duì)提高鎂合金的高溫性能十分有利。然而,作為當(dāng)前強(qiáng)度最高、耐熱性最好的鎂合金之一，Mg-Gd-Y系合金也存在著密度偏高及塑性成形能力差等關(guān)鍵性問題，如Mg-10Gd-3Y合金的密度接近2g/cm3，在實(shí)驗(yàn)室條件下，400°C以下很難實(shí)現(xiàn)擠壓成形，在工業(yè)擠壓中對(duì)溫度的要求則更加苛刻。這些缺點(diǎn)極大的制約了 Mg-Gd-Y系合金的發(fā)展和應(yīng)用。因此，降低Mg-Gd-Y系合金的密度，提高其塑性和成形能力對(duì)發(fā)展該系合金和拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。在降低Mg-Gd-Y系合金密度和提高其成形能力的方法中，合金化是最為有效的途徑之一。相比于其他合金組元，Li是鎂合金中最輕的合金化組元，Li的添加通常使鎂合金表現(xiàn)出十分優(yōu)良的塑性變形能力。這是由于隨著Li含量的增加，合金的合金相結(jié)構(gòu)將發(fā)生由密排六方-密排六方+體心立方-體心立方的轉(zhuǎn)變，由于體心立方晶體結(jié)構(gòu)擁有較高的對(duì)稱性及較多的滑移系統(tǒng)，因此表現(xiàn)出極高的塑性變形能力。另外，Li可以使鎂及鎂合金的軸比(c/a)下降，降低位錯(cuò)沿柱面以及錐面滑移的臨界分切應(yīng)力。因此，隨著體心立方晶體結(jié)構(gòu)相在合金中含量的增加，鎂合金的塑性也隨之增加。Zr對(duì)鎂合金的細(xì)晶作用非常顯著，還可明顯改善合金的抗蠕變性，其機(jī)理被認(rèn)為Zr可以細(xì)化再結(jié)晶組織，從而有利于獲得細(xì)小等軸晶，且Zr溶質(zhì)原子抑制位錯(cuò)移動(dòng)促使均勻變形。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種向Mg-8Gd_2Y鎂合金中添加低含量Li和Zr改善其成形能力、降低變形溫度及合金密度的Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金及其制備方法。本發(fā)明的一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金，以現(xiàn)有Mg-8Gd_2Y為基，加入Li和Zr作為合金化組元，其化學(xué)組成按質(zhì)量百分比為L(zhǎng)iO. 59Γ4. 5%，ZrO. 2 O. 8%，Gd7. (T9. 0%，Υ1·0 3· 0%，余量為Mg。本發(fā)明的一種Mg-8Gd-2Y-Li_Zr鎂合金的制備方法，包括以下步驟
(1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到710°c 73(rc熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)熔化的金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至775 785°C，加入Gd、Y和Zr，待熔體溫度降至655 665°C，加入Li，升溫至715 725°C，熔體靜置30分鐘；此熔鑄過程利用體積比為C02:SF6=20:1的混合氣體保護(hù)，以防止燃燒；
(2)把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200°C的鐵制坩堝中，得到鑄錠；
(3)將得到的鎂合金鑄造錠坯熱處理在300°C下退火2Γ48小時(shí)，然后將鑄錠進(jìn)行車肖II，去除表面氧化部分，加工為Φ46_的合金棒材；
(4)利用反向擠壓裝置，在油壓機(jī)上，以5.Om/min的擠壓速度擠壓合金，得到Φ 12_的鎂合金擠壓棒材，擠壓溫度為200°C 350°C，擠壓比為15 ；
(5)對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為在380°C下固溶水淬lh，在90°C下時(shí)效熱處理保溫20h。其中，步驟(I)中所述的合金加入量按質(zhì)量百分比計(jì)分別為加入7. (T9. 0%的Gd、I. 0 3· 0% 的 Y,O. 2 O. 8% 的 Zr,O. 5% 4. 5% 的 Li、余量為 Mg。步驟(4)中所述的反向擠壓裝置包括中空的擠壓桿、擠壓模具、擠壓筒、擠壓墊片和擠壓底座。在擠壓底座上裝配有擠壓筒，擠壓筒內(nèi)底部裝配有擠壓墊片，擠壓墊片上方裝配有擠壓模具，擠壓模具上方裝配有中空的擠壓桿。其中擠壓模具為中空的圓柱體，圓柱體內(nèi)部從下到上依次是模角段、預(yù)工作帶、定徑工作帶和出口段，模角為3(Γ45°，出口段的直徑大于工作帶的直徑，預(yù)工作帶直徑大于定徑工作帶直徑，兩工作帶長(zhǎng)度之比為O. 5^0. 8，定徑工作帶長(zhǎng)度為r8mm。擠壓前，采用二硫化鑰鋰基潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑，均勻涂抹在擠壓模具內(nèi)壁、坯料表面和擠壓筒的內(nèi)壁上。本發(fā)明制備的鎂合金具體相組成為α -Mg、Mg24 (Gd, Υ)5和Mgx (Gd，Y, Li) y等相，圖I為其XRD物相分析結(jié)果示意圖。本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果在于
本發(fā)明所制得的Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金的最低擠壓溫度可低至200°C，可實(shí)現(xiàn)溫?cái)D
壓；
其在室溫下的密度最低可低至I. 705g/cm3，低于純鎂密度(I. 732 g/cm3);其在400°C擠壓加T6時(shí)效后的室溫力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度Rm=341. 58MPa，屈服強(qiáng)度Rp(l.2=277· 86MPa，延伸率 A=12. 24%ο


圖I為本發(fā)明制備的Mg-8Gd-2Y-Li_Zr鎂合金的XRD物相分析結(jié)果；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例I制得的鎂合金用金相顯微鏡觀察到的典型鑄造組織；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制得的鎂合金用金相顯微鏡觀察到的典型鑄造組織；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制得的鎂合金的拉伸試樣尺寸圖(單位_)；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例4制得的鎂合金用金相顯微鏡觀察到的典型鑄造組織；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例5制得的鎂合金用金相顯微鏡觀察到的典型鑄造組織。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本實(shí)施例中使用的金相顯微鏡型號(hào)為L(zhǎng)eica MPS30。本實(shí)施例中的Mg、Li采用一級(jí)鎂錠(99. 95%)和鋰錠(99. 9%)的形式加入，Gd、Y和Zr采用中間合金形式加入，各中間合金組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Mg-50%Gd、Mg_50%Y和Mg-30%Zro實(shí)施例I
(1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到720°c熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)熔化的金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至775°C，按鎂合金的質(zhì)量百分比組成，加入含7%Gd的Mg-Gd中間合金、含2%Y的Mg-Y中間合金和含O. 2% Zr的Mg-Zr中間合金，待熔體溫度降至6550C，加入O. 5%的Li，升溫至715°C，熔體靜置30分鐘；
(2)以上熔鑄過程利用體積比C02:SF6=20:1混合氣保護(hù)，以防止燃燒；把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200 V的鐵制坩堝中；化學(xué)分析表明鑄錠的組成為Mg-7. 46Gd-2. 34Y-0. 43Li_0. 23Zr ；
(3)將合金鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理，具體制度為加熱至300°C，保溫24小時(shí)，熱處理后合金的典型鑄造組織如圖2所示；
(4)熱處理后將鑄錠進(jìn)行車削，去除表面氧化部分，加工為Φ46mm的合金棒材，利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機(jī)上，以5. Om/min的擠壓速度擠壓合金，得到Φ12_的鎂合金擠壓棒材，擠壓比為15。為探索該合金的可實(shí)現(xiàn)擠壓變形的最低溫度，擠壓變形盡量選取最低溫度進(jìn)行，本例中為350 °C ；
(5)隨后對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為在380°C下固溶水淬lh，在90°C下時(shí)效熱處理保溫20h，合金密度由梅特勒-托利多超越系列專業(yè)型XS分析天平測(cè)定，為I. 880g/cm3。實(shí)施例2
(1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到710°C熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)熔化的金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至780°C，按鎂合金的質(zhì)量百分比組成，加入含9%Gd的Mg-Gd中間合金、含2%Y的Mg-Y中間合金和含O. 4% Zr的Mg-Zr中間合金，待熔體溫度降至6600C，加入I. 5%的Li，升溫至720°C，熔體靜置30分鐘；
(2)以上熔鑄過程利用體積比C02:SF6=20:1混合氣保護(hù)，以防止燃燒；把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200 V的鐵制坩堝中，化學(xué)分析表明鑄錠的組成為Mg-8. 42Gd-2. 26Y-1. 37Li_0. 37Zr ；
(3)將合金鑄錠進(jìn)行均勻化熱處理，具體制度為加熱至300°C，保溫24小時(shí)，熱處理后合金的典型鑄造組織如圖3所示。(4)熱處理后將鑄錠進(jìn)行車削，去除表面氧化部分，加工為Φ46πιπι的合金棒材，利用反向擠壓裝置，在300噸油壓機(jī)上，以5. Om/min的擠壓速度擠壓合金，得到Φ12πιπι的鎂合金擠壓棒材，擠壓比為15。為探索該合金的可實(shí)現(xiàn)擠壓變形的最低溫度，擠壓變形盡量選取最低溫度進(jìn)行，本例中為300°C ；
(5)隨后對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為在380°C下固溶水淬lh，在90°C下時(shí)效熱處理保溫20h，合金密度由梅特勒-托利多超越系列專業(yè)型XS分析天平測(cè)定，為I. 840g/cm3。將其取樣加工成如附圖4所示的拉伸試樣，在Instron8032拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸，拉伸速度為2mm/min，室溫拉伸力學(xué)性能如表I所示，平均值分別為抗拉強(qiáng)度Rm=341. 58MPa,屈服強(qiáng)度 RpQ.2=277· 86MPa,延伸率 Α=12· 24%。
權(quán)利要求
1.一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金，其特征在于以現(xiàn)有Mg-8Gd_2Y為基，加入Li和Zr作為合金化組元，其化學(xué)組成按質(zhì)量百分比為L(zhǎng)iO. 59Γ4. 5%，ZrO. 2 O. 8%，Gd7. (T9. 0%，Υ1·0 3· 0%，余量為Mg。
2.如權(quán)利要求I所述的一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)采用電阻熔煉爐，將金屬鎂加熱到710°C 730°C熔化，采用五號(hào)熔劑對(duì)熔化的金屬鎂熔體進(jìn)行凈化處理，熔體經(jīng)攪拌后升溫至775 785°C，加入Gd、Y和Zr，待熔體溫度降至655 665°C，加入Li，升溫至715 725°C，熔體靜置30分鐘；此熔鑄過程利用體積比為C02:SF6=20:1的混合氣體保護(hù)，以防止燃燒； (2)把金屬熔體澆鑄至預(yù)熱到200°C的鐵制坩堝中，得到鑄錠； (3)將得到的鎂合金鑄造錠坯熱處理在300°C下退火2Γ48小時(shí)，然后將鑄錠進(jìn)行車 肖II，去除表面氧化部分，加工為Φ46_的合金棒材； (4)利用反向擠壓裝置，在油壓機(jī)上，以5.Om/min的擠壓速度擠壓合金，得到Φ 12mm的鎂合金擠壓棒材，擠壓溫度為200°C 350°C，擠壓比為15 ； (5)對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理，具體制度為在380°C下固溶水淬lh，在90°C下時(shí)效熱處理保溫20h。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的合金加入量按質(zhì)量百分比計(jì)分別為加入7. (T9. 0%的GdU. 0 3· 0%的Y、O.2 O. 8% 的 Zr、O. 5% 4. 5% 的 Li、余量為 Mg。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Mg-8Gd-2Y-Li-Zr鎂合金及其制備方法。該鎂合金以現(xiàn)有Mg-8Gd-2Y為基，加入Li和Zr作為合金化組元，按質(zhì)量百分比，加入0.5%~4.5%的Li，0.2~0.8%的Zr，7.0~9.0%的Gd，1.0~3.0%的Y，余量為Mg。將合金熔體澆鑄至鐵制坩堝中，得到鑄錠；將鑄錠熱處理后車削，去除表面氧化部分，加工為Φ46mm的合金棒材；反向擠壓得到Φ12mm的鎂合金擠壓棒材，對(duì)合金擠壓棒材進(jìn)行T6熱處理。本發(fā)明所制得的鎂合金的最低擠壓溫度可低至200℃，可實(shí)現(xiàn)溫?cái)D壓，其在室溫下的密度最低可低至1.705g/cm3，低于純鎂密度(1.732g/cm3)；其在400℃擠壓加T6時(shí)效后的室溫力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度Rm=341.58MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2=277.86MPa，延伸率A=12.24%。
文檔編號(hào)C22C23/06GK102965557SQ201210500529
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者張志強(qiáng), 寶磊, 樂啟熾, 崔建忠 申請(qǐng)人:東北大學(xué)