專利名稱：一種高強高模鎂合金及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高強高模鎂合金及制備方法，該合金室溫彈性模量可達5(T65GPa。屬于有色金屬材料及其加工領域。
背景技術：
為達到減重增效的目的，制造業對高性能輕質材料的需求量迅速增長，鎂合金材料作為可エ業化生產的最輕金屬結構材料，受到了特別的重視。近年來，航空航天及交通運輸工具的速度越來越高，所需的動力功率越來越大，對材料的耐熱性能及抗彈性變形能力提出了更高的要求。合金化是提高合金力學性能的有效手段。從上世紀四十年代以來，相繼開發了一系列具備優異性能的Mg-RE合金，如國外研發的含銀(Ag)和稀土(RE)的鎂合金QE22、EQ21，含稀土釔(Y)和釹(Nd)的鎂合金WE54、WE43等，以及國內研發的鎂合金ZM6，·Mg-Gd-Y系列合金等。其中，WE54和WE43合金是目前發展最為成功的商業化耐熱稀土鎂合金，具有很高的室溫和高溫力學性能，其拉伸強度可達285MPa，耐熱溫度可達300° C，且經過熱處理后其耐蝕性能優于其他高溫鎂合金。與國外的合金相比，Mg-Gd-Y系合金性能較穩定，室溫和高溫強度與國外合金水平相當，甚至某些合金的強度還要高于國外的合金。近10年來，國內的中南大學、上海交通大學以及中國科學院長春應用化學研究所等研究機構在國家“ 973”等重大項目的支持下，結合自身的優勢對Mg-Gd-Y-Zr (GWK)合金進行了深入的研究，已取得了顯著的成果。何上明等通過調整Gd、Y的含量，綜合利用固溶強化、時效強化以及形變強化等手段，開發出了 Mg-Gd-Y-Zr (JDM-2)高強耐熱變形鎂合金，其屈服強度和抗拉強度分別達到436MPa和49IMPa的最高強度指標。本課題組張新明等研制的Mg-9Gd-4Y-0. 6Zr合金具有較高的室溫和高溫強度，力學性能明顯優于WE54合金，耐熱溫度更是達到了 350° C。這主要是由于Gd、Y元素在鎂基體中具有較大的固溶度，經高溫固溶和時效處理后可形成大量的亞穩析出相(P "和P ')，從而提高了合金的強度。由混合定律可知，多相合金的弾性模量是由其組成相的彈性模量及其體積分數決定的。可惜的是，Mg-RE 合金中 MgGd (56. 9GPa)、Mg3Gd (46. I GPa)、Mg7Gd (52. 6GPa)、MgY (55. 7GPa) ,Mg24Y5 (53. 8GPa)和 MgNd (55. 4GPa)等相的彈性模量都比較低，使得 Mg-RE 合金的彈性模量也比較低，僅為4(T45GPa，最終導致其抗彈性變形能力差，不能滿足工程領域對輕質高強高模耐熱鎂合金材料的需求。因此,研發高強高模鎂合金材料的需求已變得非常迫切。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種組分配比合理、加工制造容易的高強高模鎂合金及制備方法，該合金可滿足室溫條件下對要求弾性模量為5(T65GPa的輕質材料和(或)零部件制造的需求。本發明ー種高強高模鎂合金，包括合金元素與鎂基體，所述合金元素占高強高模鎂合金總量的3-20%，余量為鎂；各組分重量百分之和為100% ;所述合金元素包括重稀土，硅或鍺，錫、銻或鋅。本發明ー種高強高模鎂合金，其特征在于包括下述組分按重量百分比組成重稀土I. 0-15. 0%,硅和/ 或鍺 I. 0-8. 0%,錫、銻、鋅中的至少ー種I. 0-5. 0%，余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。本發明ー種高強高模鎂合金，所述重稀土選自釓、鏑、鋱、欽、鉺、銩、鐿、镥中的至少ー種。本發明ー種高強高模鎂合金，還包含有占高強高模鎂合金總量為0-2%的活性元素X，所述活性元素X選自鋁、鈦、銀、鋯、鈣、鈧、鑭、鈰、銪、鐠、钷、釤中的任意ー種；各組分重量百分之和為100%。本發明ー種高強高模鎂合金的制備方法，包括下述步驟第一歩按設計的高強高模鎂合金組分配比分別取各組分，其中Mg用純鎂的方式加入，Si用純硅的方式加入，其余組分以鎂基中間合金的形式加入；第二步熔鑄
將純鎂錠放入鐵坩堝中在Ar氣保護氣氛下加熱至740-760° C，待純鎂錠熔化后，將純硅加入到純鎂熔體內，以300rpm的速度每5min對熔體攪拌一次，待硅塊全部溶解后，升溫至770-780° C，然后，依次加入其余組分的中間合金并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠；控制所有中間合金完全熔化及精煉扒渣至澆鑄時間小于等于4分鐘。本發明ー種高強高模鎂合金的制備方法，Zn以純鋅的方式加入純鎂熔體內。本發明ー種高強高模鎂合金的制備方法，所述純硅用鐵絲網盛裝加入到純鎂熔體內，純硅的粒度為I. (T2. Ocm的硅塊。本發明ー種高強高模鎂合金的制備方法，所述鑄錠經500-525° C/2_24h均勻化處理及200-250° C/2-72h時效處理后獲得高強高模鎂合金。本發明ー種高強高模鎂合金的制備方法，所述鑄錠經500-525° C/2_24h均勻化處理后，于300-450° C擠壓、熱軋、熱鍛后進行490-500° C/0. 5_1. 5h固溶處理，然后，進行200-250° C/2-72h時效處理，分別獲得高強高模鎂合金擠壓材、熱軋材、熱鍛材。本發明所指鎂合金含重量為0-2%的活性元素X是為了細化晶粒，改善晶界結構，提高鎂合金的塑性。根據熱力學原理及自由能計算公式，對于化學反應2Mg+Si =Mg2Si (AGf) (I)5Gd+3Si = Gd5Si3(2)Gibbs自由能與溫度T的關系分別為
,[-77237 + 14.27(298.15^ <T< 923尺)AGr = <
1 1-100416 + 39.37 (923人’< / < 1361人')AG. =-76893 +13.19/'( T > 298/15/0由以上公式可知，化學反應(Ir (2)的Gibbs自由能均小于0，這就意味著在合金熔煉過程中，以上所有的化學反應均是可行的。由于目前還沒有關于Gd5Si3相的彈性模量的文獻報道，因此，我們基于密度泛函理論的第一性原理方法，使用Material Studios 5. 0軟件中的量子力學模塊CASTEP軟件包對Gd5Si3金屬間化合物的弾性常數進行了模擬計算，計算結果如表I所示。在本計算中，能量截斷值為360eV，自洽計算的收斂精度為5X10_6eV/atom，在倒易空間中第一布里淵區k點的選取分別為7X7X6。根據計算結果，我們算出Gd5Si3的弾性模量為168. 4GPa。 表I金屬間化合物Gd5Si3的彈性常數
權利要求
1.一種高強高模鎂合金，包括合金元素與鎂基體，所述合金元素占高強高模鎂合金總量的3-20%，余量為鎂；各組分重量百分之和為100% ;所述合金元素包括重稀土，硅或鍺，錫、銻或鋅。
2.根據權利要求I所述的ー種高強高模鎂合金，其特征在于包括下述組分按重量百分比組成重稀土 I. 0-15. 0%, 硅和/或鍺I. 0-8. 0%, 錫、銻、鋅中的至少ー種I. 0-5. 0%， 余量為鎂；各組分重量百分之和為100%。
3.根據權利要求2所述的ー種高強高模鎂合金，其特征在于所述重稀土選自釓、鏑、鋪、欽、輯、錢、鏡、錯中的至少一種。
4.根據權利要求3所述的ー種高強高模鎂合金，其特征在于還包含有占高強高模鎂合金總量為0-2%的活性元素X,所述活性元素X選自招、鈦、銀、錯、|丐、鈧、鑭、鋪、銪、鐠、钷、釤中的任意ー種；各組分重量百分之和為100%。
5.制備如權利要求1-4任意一項所述的一種高強高模鎂合金的方法，包括下述步驟 第一歩按設計的高強高模鎂合金組分配比分別取各組分，其中Mg用純鎂的方式加入，Si用純硅的方式加入，其余組分以鎂基中間合金的形式加入； 第二步熔鑄 將純鎂錠放入鐵坩堝中在Ar氣保護氣氛下加熱至740-760° C，待純鎂錠熔化后，將純硅加入到純鎂熔體內，以300rpm的速度每5min對熔體攪拌一次，待硅塊全部溶解后，升溫至770-780° C，然后，依次加入其余組分的中間合金并攪拌，精煉扒渣，澆鑄，得到鑄錠；控制所有中間合金完全熔化及精煉扒渣至澆鑄時間小于等于4分鐘。
6.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于Zn以純鋅的方式加入純鎂熔體內。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述純硅用鐵絲網盛裝加入到純鎂熔體內，純硅的粒度為I. (T2. Ocm的硅塊。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述鑄錠經500-525°C/2_24h均勻化處理及200-250° C/2-72h時效處理后獲得高強高模鎂合金。
9.根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于所述鑄錠經500-525°C/2_24h均勻化處理后，于300-450 ° C擠壓、熱軋、熱鍛后進行(490-500° C/0. 5_1. 5h固溶)200-250° C/2-72h時效處理，分別獲得高強高模鎂合金擠壓材、熱軋材、熱鍛材。
全文摘要
一種高強高模鎂合金，包括合金元素與鎂基體，所述合金元素占高強高模稀土鎂合金總量的3-20%，余量為鎂；合金元素包括重稀土、硅和/或鍺、錫和/或銻和/或鋅。Si和Ge以及Sn、Sb和Zn可以同時加入，也可加入其中的一種；重稀土選自釓、鏑、鋱、鈥、鉺、銩、鐿和镥中的至少一種。其制備方法是在保護氣氛下將純鎂加熱熔化，將純硅加入到純鎂熔體內，攪拌、溶解后，再升溫20-30℃，依次加入其余組分的中間合金并攪拌，控制中間合金完全熔化至澆鑄時間小于等于4分鐘，澆鑄，得到鑄錠。發明組分配比合理、加工制造容易，制備的高強高模鎂合金具有高的室溫強度和彈性模量，較好的塑性。綜合性能明顯高于現有的稀土鎂合金。適于工業化生產。
文檔編號C22C1/03GK102839308SQ201210306468
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者鄧運來, 張新明, 劉釗揚, 胡繼龍, 官立群, 崔斌, 吳懿萍, 張騫, 唐曄, 劉建新, 龔書強, 翟曉玲 申請人:中南大學, 北京遙感設備研究所