一種含Zn和重稀土Gd的高強度鑄造鎂合金及制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及金屬材料技術領域，尤其涉及一種含Zn和重稀土 Gd的鑄造鎂合金及制 備方法。
【背景技術】
[0002] 鎂合金作為目前密度最小的金屬結構材料，在航空航天、汽車、電子等高新技術領 域的減重效益非常顯著，如汽車、商用飛機、航空器重量每降低〇.45kg，可分別節約$34300 和$30000。如果能大量采用鎂合金來取代目前航空航天、汽車、電子等行業主要使用的鋁合 金及鋼結構材料，就可以有效實現減重效益。
[0003] 目前市場上的商用鎂合金主要以Mg-Al系及Mg-Zn系為主，但這些鎂合金與與鋁合 金相比，其較低的強度仍然限制了進一步擴大鎂合金應用范圍。Mg-RE系鎂合金具有優異的 固溶強化和時效硬化效應，為開發出高性能鎂合金帶來了巨大希望。
[0004] Mg-RE合金系經歷了從Mg-Re系、Mg-Th系、Mg-Y系過渡到目前的Mg-Gd合金系的發 展歷程，先后開發了多種以RE為主要添加元素的新型鎂合金，如WE54、WE43的Mg-Y系等。目 前，在釔組稀土元素中，對于Y元素在鎂合金中的研究和應用日益成熟，而對于Gd，Tb，Dy等 元素的研究還不是很成熟。在共晶點溫度，Gd在Mg中的極限固溶度是23.49wt. % (4.53at. % )，且該數值隨溫度的降低呈指數級下降，這意味著Mg-Gd合金是典型可以通過 完全熱處理進行析出強化的鎂合金。
[0005] 在Mg-RE合金中加入廉價的Zn，不僅對調控該合金系的時效析出組織有較為顯著 的作用，而且近年來鎂合金研究的另一個重要發現是:在適當的Gd、Zn等元素加入量及工藝 條件下，在Mg-RE合金系中會形成一種新型的長周期堆垛有序結構，即LPS0結構。該結構可 以進一步提高Mg-RE合金系的強度及塑性。具有LPS0結構的合金的室溫和高溫拉伸性能、耐 腐蝕性能等均有不同程度的提升，是一種有望應用于航空航天等領域的新型高性能輕質結 構材料。
[0006] 因此，為了滿足航空航天等領域對新型輕質高強耐熱材料的應用需要，迫切需要 開發出室溫拉伸抗拉強度大于400MPa的新型高強度耐熱鎂合金材料。通過優化合金成分、 熔煉工藝技術和熱處理工藝等可以解決鎂合金強度低的關鍵問題，并實現其穩定性生產制 備，這對于航空航天等領域的工程化應用具有十分重要的戰略意義，為我國材料的輕量化 奠定技術基礎。本發明提出用一種高強度鑄造鎂合金及其制備方法，通過加入重稀土 Gd和 微合金強化元素 Zn并優化熔煉工藝技術和熱處理工藝，制備高性能鎂合金材料并實現性能 穩定化生產，有效提高我國現有的鎂合金材料開發的先進水平，使之成為制備航空航天、汽 車等領域的首選材料。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提出一種含Zn和重稀土 Gd的高強度鑄造 鎂合金及制備方法，克服現有鎂合金強度低且性能不穩定的關鍵問題。本發明通過向Mg中 加入Gd、Zn、Zr元素并優化其加入量，調整優化固溶和時效工藝參數，實現在合理的Gd、Zn、 Zr元素重量下，獲得較高的室溫強度，并在保持合金強度同時，提高合金的塑性，獲得綜合 性能優異的高強度鑄造鎂合金。通過完成高強度耐腐蝕鑄造鎂合金的優化與工程化工作， 制備出室溫拉伸抗拉強度超過400MPa的高強度耐腐蝕鎂合金，為航空航天等領域提供優質 高性能輕質鎂合金材料。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0009] 本發明提供了一種含Zn和重稀土 Gd的鑄造鎂合金，包含如下重量百分含量的各組 分:Gd 10-18%，ZnO · 5-2%，ZrO · 3-0 · 7%，不可避免總量小于0 · 02%的雜質，余量為Mg。 [0010]本發明還提供了一種含Zn和重稀土 Gd的鑄造鎂合金的制備方法，包括以下步驟： [0011 ] S1、秤取原料，所述原料為:鎂錠，工業純Zn，Mg-Gd中間合金，Mg-Zr中間合金；
[0012] S2、鑄熔:先將鎂錠置入有溶劑保護或SF6和C02的混合氣體氣體保護的坩堝中熔 化，然后依次加入工業純Zn、Mg-Gd中間合金、Mg-Zr中間合金，攪拌至各組份充分熔化且混 合均勻，形成熔體;靜置之后，將熔體進行精煉處理，冷卻后進行澆鑄形成鎂合金；
[0013] S3、將步驟S2鑄造的鎂合金進行固溶處理(T4):采取兩步固溶處理，然后在80-100 °C熱水中淬火，得T4態鎂合金；
[0014] S4、將步驟S3制備的T4態鎂合金進行時效處理（T6):采取單步時效處理，然后在 15-30°C冷水中淬火，得T6態鎂合金，即得所述的含Zn和重稀土 Gd的鑄造鎂合金。
[0015] 優選地，步驟S1中，所述原料按照合金室溫拉伸抗拉強度和屈服強度要求大于 400MPa的技術需求所設計的合金成分計算原料需要的重量百分比來秤取，原料秤取后需在 烘箱中預熱至200°C待用。
[0016] 優選地，步驟S2中，所述依次加入工業純Zn、Mg-Gd中間合金、Mg-Zr中間合金具體 為當鎂錠熔化溫度升至690°C時加入工業純Zn，當溫度繼續升高達到720°C時，將Mg-Gd中間 合金加入到熔體中，待爐溫升至780°C后加入Mg-Zr中間合金。
[0017] 優選地，步驟S2中，所述精煉處理具體為待熔體溫度降至760°C加入精煉劑開始精 煉處理;所述冷卻至710-750°C后進行澆鑄。
[0018] 優選地，步驟S3中，所述兩步固溶處理具體為:先在480-500°C下固溶l_2h，然后在 510-530°C下固溶10_50h。使用兩步固溶即可以首先通過在低溫平臺的短時保溫(480-500 °C下固溶l_2h)使合金初步均勻化;其后緩慢升至高溫平臺，通過避免沖溫以及成分偏析造 成的過燒;再通過高溫平臺長時間保溫(510-530°C下固溶10_50h)可最大限度消除晶界;之 后使用熱水淬火，即防止冷卻過程析出又避免冷卻過快產生微裂紋。
[0019] 若僅采用低溫平臺長時保溫一步固溶(480-500°C下固溶10_50h)，會造成晶界上 殘余第二相過多，降低合金性能;若僅采用高溫平臺長時保溫一步固溶(510_530°C下固溶 10-50h)，容易發生由于爐膛沖溫或成分偏析造成的過燒，也會降低合金性能。高溫平臺固 溶時間過短（<l〇h)則晶界上殘余第二相會無法完全固溶，而隨著固溶時間增長，固溶程度 變化逐漸變小；而固溶時間過長（>50h)會導致晶粒過分長大。因此，高溫固溶時間設置為 10-50h〇
[0020] 進一步優選地，步驟S4中，所述單步時效處理溫度為175-225°C，時間為32-128h，
[0021] 時效溫度過低會造成時效時間過長，加工成本過高，不利于工業應用;時效溫度過 高會造成時效強化效果下降。時效時間過短則未充分發揮時效強化;時效時間過長則發生 不連續析出，均對合金性能不利。
[0022]優選地，所述制備方法還包括對步驟S4獲得的T6態鎂合金進行室溫拉伸實驗和合 金腐蝕速率測試。
[0023] 優選地，所述室溫拉伸實驗采用拉伸機為Zwick BTC-FR020TN.A50型電子萬能材 料試驗機，彈性階段、屈服階段、塑性階段的拉伸速率分別為0.5mm/min，0.2mm/min和1mm/ min〇
[0024] 優選地，所述合金腐蝕速率測試采用靜態鹽水浸泡實驗，具體測試方法為：
[0025] A、先用水磨砂紙將T6態鎂合金樣品表面的氧化層去掉，然后用金相砂紙進行細 磨，再用蒸餾水沖洗后暖風吹干，稱出T6態鎂合金樣品的原始重量Wo;
[0026] B、將經步驟A處理的T6態鎂合金樣品用腐蝕介質浸泡，腐蝕后的T6態鎂合金樣品 用蒸餾水沖洗干凈暖風吹干，然后用鉻酸溶液清洗以除去T6態鎂合金樣品表面的腐蝕產 物；
[0027] C、將經步驟B處理的T6態鎂合金樣品取出后用蒸餾水沖洗干凈后暖風吹干，用分 析天平稱出腐蝕后的T6態鎂合金樣品重量MdPWo之間的差值即為樣品的失重量;樣品腐 蝕速率的計算公式(1)為：
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