[发明专利]一种高强高模镁合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强高模镁合金及制备方法，该合金室温弹性模量可达50~65GPa。属于有色金属材料及其加工领域。

背景技术

为达到减重增效的目的，制造业对高性能轻质材料的需求量迅速增长，镁合金材料作为可工业化生产的最轻金属结构材料，受到了特别的重视。近年来，航空航天及交通运输工具的速度越来越高，所需的动力功率越来越大，对材料的耐热性能及抗弹性变形能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力学性能的有效手段。从上世纪四十年代以来，相继开发了一系列具备优异性能的Mg-RE合金，如国外研发的含银（Ag）和稀土（RE）的镁合金QE22、EQ21，含稀土钇（Y）和钕（Nd）的镁合金WE54、WE43等，以及国内研发的镁合金ZM6，Mg-Gd-Y系列合金等。其中，WE54和WE43合金是目前发展最为成功的商业化耐热稀土镁合金，具有很高的室温和高温力学性能，其拉伸强度可达285MPa，耐热温度可达300°C，且经过热处理后其耐蚀性能优于其他高温镁合金。

与国外的合金相比，Mg-Gd-Y系合金性能较稳定，室温和高温强度与国外合金水平相当，甚至某些合金的强度还要高于国外的合金。近10年来，国内的中南大学、上海交通大学以及中国科学院长春应用化学研究所等研究机构在国家“973”等重大项目的支持下，结合自身的优势对Mg-Gd-Y-Zr(GWK)合金进行了深入的研究，已取得了显著的成果。何上明等通过调整Gd、Y的含量，综合利用固溶强化、时效强化以及形变强化等手段，开发出了Mg-Gd-Y-Zr(JDM-2)高强耐热变形镁合金，其屈服强度和抗拉强度分别达到436MPa和491MPa的最高强度指标。本课题组张新明等研制的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr合金具有较高的室温和高温强度，力学性能明显优于WE54合金，耐热温度更是达到了350°C。这主要是由于Gd、Y元素在镁基体中具有较大的固溶度，经高温固溶和时效处理后可形成大量的亚稳析出相（β″和β′），从而提高了合金的强度。

由混合定律可知，多相合金的弹性模量是由其组成相的弹性模量及其体积分数决定的。可惜的是，Mg-RE合金中MgGd(56.9GPa)、Mg₃Gd(46.1GPa)、Mg₇Gd(52.6GPa)、MgY(55.7GPa)、Mg₂₄Y₅(53.8GPa)和MgNd(55.4GPa)等相的弹性模量都比较低，使得Mg-RE合金的弹性模量也比较低，仅为40~45GPa，最终导致其抗弹性变形能力差，不能满足工程领域对轻质高强高模耐热镁合金材料的需求。因此，研发高强高模镁合金材料的需求已变得非常迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、加工制造容易的高强高模镁合金及制备方法，该合金可满足室温条件下对要求弹性模量为50~65GPa的轻质材料和（或）零部件制造的需求。

本发明一种高强高模镁合金，包括合金元素与镁基体，所述合金元素占高强高模镁合金总量的3-20%，余量为镁；各组分重量百分之和为100%；所述合金元素包括重稀土，硅或锗，锡、锑或锌。

本发明一种高强高模镁合金，其特征在于：包括下述组分按重量百分比组成：

重稀土1.0-15.0%，

硅和/或锗1.0-8.0%，

锡、锑、锌中的至少一种1.0-5.0%，

余量为镁；各组分重量百分之和为100%。

本发明一种高强高模镁合金，所述重稀土选自钆、镝、铽、钬、铒、铥、镱、镥中的至少一种。

本发明一种高强高模镁合金，还包含有占高强高模镁合金总量为0-2%的活性元素X，所述活性元素X选自铝、钛、银、锆、钙、钪、镧、铈、铕、镨、钷、钐中的任意一种；各组分重量百分之和为100%。

本发明一种高强高模镁合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：按设计的高强高模镁合金组分配比分别取各组分，其中：Mg用纯镁的方式加入，Si用纯硅的方式加入，其余组分以镁基中间合金的形式加入；

第二步：熔铸

将纯镁锭放入铁坩埚中在Ar气保护气氛下加热至740-760°C，待纯镁锭熔化后，将纯硅加入到纯镁熔体内，以300rpm的速度每5min对熔体搅拌一次，待硅块全部溶解后，升温至770-780°C，然后，依次加入其余组分的中间合金并搅拌，精炼扒渣，浇铸，得到铸锭；控制所有中间合金完全熔化及精炼扒渣至浇铸时间小于等于4分钟。