[发明专利]一种高强度高模量铸造镁稀土合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，特别涉及一种高强高模铸造镁稀土合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、机加工性能优良等优点，在汽车、航空航天等领域有着十分广泛的应用前景。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，构件的稳定性要求高可靠，对镁合金的刚度以及抗弹性变形能力提出了更高的要求。同时，航空航天镁合金部件大多因结构复杂、尺寸大而采用铸造方法生产。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镁稀土合金(Mg–RE)，如国外研发的含稀土钇(Y)和钕(Nd)的镁合金WE54、WE43等，以及国内研发的Mg–Nd–Zn系列镁合金等。与国外的合金相比，我国开发的Mg–Nd–Zn系合金性能较稳定，室温和高温强度与WE54合金相。对于Mg–RE合金，目前常用Zr作为晶粒细化剂，但Zr的加入也存在工艺复杂、能耗高、损耗高以及由此造成的价格昂贵等问题。

由于弹性模量是材料应力和应变之间的比例系数，实际上是原子间静电引力的表征，其数值反映了原子间结合力的大小。通常，金属的弹性模量对组织变化不敏感，因此需要引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相来提高基体金属的弹性模量。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，付彭怀在博士论文《Mg–Nd–Zn–Zr合金微观组织、力学性能和强化机制的研究》(上海交通大学，2009)中研究表明，Mg–Nd–Zn–Zr合金中Mg–Nd二元化合物和Mg–Nd–Zn三元化合物等相的弹性模量都比较低，使得Mg–Nd–Zn系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镁合金材料的需求。因此，提高镁合金特别是铸造镁合金的弹性模量是发展镁合金材料的重要课题。

发明内容

本发明通过在Mg–Nd–Zn合金中添加廉价的Al原位生成Al–RE金属间化合物作为基体的异质形核核心，细化了合金且细化后的晶粒具有优异的热稳定性；同时添加Li形成高弹性模量的强化相，而且通过之后相应的热处理工艺，使该合金具有较高的强度和弹性模量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种高强度高模量铸造镁稀土合金，其由按如下重量百分比计的元素组成：Nd：2～4wt％、Li：1～3wt％、Zn：0.2～0.6wt％、Al：2～4wt％，余量为Mg和不可避免的杂质，其中，所述杂质中Si、Fe、Cu和Ni的总含量小于0.02wt％。

本发明采用Nd(钕)为第一组分，因为在200℃时Nd在镁中的固溶度为几乎为零，而在共晶温度552℃时的固溶度为3.6wt.％，因此只要加入少量的Nd就可以保障合金具有良好的固溶强化和时效硬化效果；同时根据前人的研究结果，Nd的含量超过最大固溶度以后，多余的Nd便会在晶界形成粗大的第二相，这种粗大的第二相在固溶处理后仍然存在，会降低合金铸造态的性能，因此Nd的加入量不高于4wt.％。本发明采用Zn(锌)为第二组元，Zn的加入主要是调整铸造性能，改进合金线收缩率和表面收缩倾向。本发明选用Li(锂)为第三组元，Li与Al形成具有高弹性模量的Al₃Li强化相呈球状，具有LI2型结构，晶格常数为0.4nm，可以显著改善合金的弹性模量。本发明选用Al(铝)为第四组元，部分Al与稀土元素Nd可形成Al–Nd金属间化合物，在凝固过程中作为Mg基体的异质形核核心，达到细化晶粒、提高合金力学性能的效果，同时分布在晶界上的Al–Nd颗粒还可以阻碍晶界的运动，提高晶粒的热稳定性，另一部分Al与Li形成强化相。

另一方面，本发明还提供了一种上述镁合金的制备方法，其包括依次进行的真空熔炼和热处理两个步骤。

作为优选方案，所述真空熔炼步骤在CO₂和SF₆混合气体(比例100:1)保护下进行，包括如下操作：

按镁合金中元素的化学计量比配料后，将纯Mg、纯Al、纯Zn和中间合金Mg–Nd在180～220℃预热2小时以上；