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      一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金及其制備方法

      文檔序號:3326588閱讀:238來源:國知局
      一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金及其制備方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金及其制備方法;所述鎂合金包括如下重量百分比含量的各組分:8~10wt.%Gd,2~4wt.%Y,0.1~1.5wt.%富Ce混合稀土RE,0.1~1.5wt.%Ag,0.1~1wt.%Ca,0.3~0.7wt.%Zr,雜質元素Si、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02wt.%,余量為Mg。本發(fā)明鎂合金是通過熔煉以及后續(xù)的固溶和時效熱處理(T6處理)得到的。本發(fā)明在保證Mg-Gd-Y系鎂合金室溫高溫性能的情況下,大大提高合金鑄造成型過程中的抗熱裂能力,更適用于生產薄壁、復雜結構,且有輕質高強要求的大中型結構件,具有廣闊的工業(yè)應用前景。
      【專利說明】一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金及其制備方法

      【技術領域】
      [0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金及其制備方法,具體地說,涉及的是一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金及其制備方法。屬于金屬材料類及冶金領域。

      【背景技術】
      [0002]鎂合金是最輕的金屬結構材料,其在航空、航天等國防領域的應用可以大幅減輕飛行器的重量、降低燃料消耗、提高承載能力,具有極高的經濟價值和戰(zhàn)略意義。目前,鎂合金已經發(fā)展了 Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE和Mg-Zn-RE等多種系列,其中Mg-RE系列鎂合金由于高溫下具有優(yōu)異的強度和抗蠕變性能,在航空、航天領域已經得到廣泛的應用,例如航空發(fā)動機中應用的EK41、QE22,導彈上應用的WE43、WE54等等。目前,研宄開發(fā)的Mg-Gd-Y系重稀土鎂合金因為其出眾的時效硬化特性和高達250°C的耐熱溫度,成為最具發(fā)展?jié)摿Φ母邚婃V合金之一。
      [0003]隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展,鎂合金鑄件正在向著大尺寸、薄壁復雜化發(fā)展,這就要求使用的鎂合金材料具有良好的鑄造性能。但是,為了保證合金的高強度和高耐熱性,目前開發(fā)的Mg-Gd-Y系稀土鎂合金中稀土含量一般較高(在6?15wt.%之間),這就使得合金結晶溫度區(qū)間增加,凝固過程中合金處于固液兩相共存狀態(tài)的時間延長。當生產薄壁、復雜結構鑄件時,受體積收縮影響,極易在其內部產生應力集中,出現熱裂缺陷。這不僅造成了大量鑄件的報廢,甚至嚴重限制了所設計零件的形狀和尺寸,因此,如何降低高強Mg-Gd-Y系鎂合金鑄造過程中的熱裂傾向成為目前亟待解決的關鍵問題。
      [0004]經對現有技術的文獻檢索發(fā)現,上海交通大學黃玉光的碩士學位論文《Mg-Gd-Y-Zr合金的熱裂和流動性研宄》,該文以Mg-10Gd-3Y-Zr (具體組分及重量百分比為:10wt.% Gd, 3wt.% Y, 0.4wt.% Zr,余量為Mg)合金為研宄對象,探討了不同恪體處理方法、澆注溫度及合金元素對Mg-Gd-Y-Zr合金熱裂行為的影響。結果表明:精煉后的Mg-Gd-Y-Zr合金較未精煉合金抗熱裂性能明顯提高;合金熱裂傾向隨著澆注溫度的升高而升高;Gd和Y元素的加入增大了合金的熱裂傾向性。采用該Mg-10Gd-3Y-Zr合金生產小尺寸鑄件時,經常在薄壁處出現熱裂紋缺陷,導致鑄件報廢;當構件尺寸在I米以上時,鑄造過程中在薄、厚壁的連接或拐彎處,常常由于熱裂導致鑄件直接斷裂,可見,高的熱裂傾向嚴重限制了該高強耐熱鎂合金的應用。由上文可知,減少氧化夾雜,保證熔體純凈化能夠提高合金的抗熱裂性能;減少Gd和Y元素的含量也可以降低合金的熱裂傾向,但是,重稀土元素Gd和Y的減少會嚴重損害合金的強度和耐高溫性能。因此,如何在不降低重稀土元素含量、保證合金綜合力學性能的同時,開發(fā)一種低熱裂傾向鑄造Mg-Gd-Y系列合金對拓展其在航空航天領域的應用具有重要意義。


      【發(fā)明內容】

      [0005]本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足,提供一種低熱裂傾向高強Mg-Gd-Y鑄造鎂合金及其制備方法,以富Ce混合稀土 RE和Ca、Ag為輔助合金化元素、并用Zr對合金進行細化處理,進而提高合金的抗熱裂能力,使之具有低熱裂傾向性、良好的復雜薄壁件鑄造成型性能和優(yōu)異的室溫高溫性能。
      [0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的:
      [0007]第一方面,本發(fā)明涉及一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,所述鎂合金包括如下重量百分比含量的各組分:8?1wt.%Gd,2?4wt.% Y, 0.1?1.5wt.%富Ce混合稀土 RE,0.1 ?1.5wt.% Ag,0.1 ?Iwt.% Ca, 0.3 ?0.7wt.% Zr,雜質元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 的總量小于0.02wt.%,余量為Mg。更優(yōu)選合金組分為:
      [0008]作為優(yōu)選方案,所述富Ce混合稀土 RE中含Ce量不小于50wt.%,稀土金屬總量不小于99wt.%,除Ce外的其它稀土金屬元素為La、Pr、Nd。
      [0009]第二方面,本發(fā)明還涉及一種本發(fā)明的低熱裂傾向高強鑄造鎂合金的制備方法,所述制備方法包括如下步驟:
      [0010]A、按所述合金的成分及化學計量比,計算所需原料的用量;所述原料為鎂錠(鎂含量的質量分數大于99.9wt.% ) ,Mg-Gd,Mg-Y和Mg-Zr中間合金,富Ce混合稀土 RE,工業(yè)純Ca,工業(yè)純Ag (Ca和Ag含量的質量分數大于99.9wt.% );
      [0011]B、熔煉處理:將鎂錠在熔劑保護或SF#P CO 2混合氣體保護下加熱,待鎂錠完全熔化后在680?700°C加入純Ca,之后升溫至720?730°C加入富Ce混合稀土 RE,當鎂液溫度達到740?760 °C后加入Mg-Gd中間合金,Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至740?760°C時再加入Mg-Y中間合金,Mg-Y熔化后將鎂液溫度升至770?800°C加入Mg-Zr中間合金,待其熔化后撇去表面浮渣,攪拌2?4分鐘,鎂液溫度回升至770?800°C時,保持加熱狀態(tài)并在攪拌過程中加入純Ag,再將鎂液溫度升至770?800°C保溫15?30分鐘后降溫至740?760°C,不斷電精煉5?10分鐘,精煉后在740?760°C靜置20?30分鐘,待鎂液冷卻至700?730°C后撇去浮渣,用澆包澆鑄或低壓鑄造;
      [0012]C、將步驟B得到的澆鑄或鑄造鎂合金在450?550°C溫度中進行8?30小時的固溶處理,隨后在180?275°C的溫度下進行6?40小時的時效處理;即得所述低熱裂傾向高強鑄造鎂合金。
      [0013]作為優(yōu)選方案,所述Mg-Gd中間合金中Gd占25?30wt.%。
      [0014]作為優(yōu)選方案,步驟A中,所述Mg-Y中間合金中Y占25?30wt.%。
      [0015]作為優(yōu)選方案,步驟A中,所述Mg-Zr中間合金中Zr占25?30wt.%。
      [0016]作為優(yōu)選方案,步驟A中,所述富Ce混合稀土 RE中含Ce量不小于50wt.%,稀土金屬總量不小于99wt.%,除Ce外的其它稀土金屬元素為La、Pr、Nd。更優(yōu)選,富Ce混合稀土 RE中含Ce量為51.5?62wt.%,含La量為30?35wt.%,含Pr量為5?12wt.%,含Nd 量為 2.5 ?3.7wt.%o
      [0017]作為優(yōu)選方案,步驟B中,所述熔煉處理前還包括將鎂錠、Mg-Gd、Mg-Y、Mg_Zr中間合金和富Ce混合稀土 RE預熱到200 °C?240 °C的步驟。
      [0018]作為優(yōu)選方案,步驟B中,所述SFdP CO2混合氣體中SF6體積含量為0.5?2.5Vol.%。
      [0019]本發(fā)明采用Gd為第一組分,采用Y為第二組分,Gd和Y兩種重稀土元素都是為了保證合金得到良好的固溶強化和時效析出強化效果,提高合金的室溫、高溫力學性能。但是,隨Gd和Y含量提高,合金的熱裂傾向增強,因此,本發(fā)明將Gd的加入量控制在8?1wt.%, Y的加入量控制在2?4wt.%,使得不影響Mg-Gd-Y系合金綜合力學性能。輕稀土元素(例如Ce、La、Pr、Nd等)的加入能使合金凝固溫度區(qū)間變窄,降低鎂合金熱裂傾向,改善鑄造性能,但是若加入單一的純稀土元素,其成本將大大提高,因此,本發(fā)明中加入了成本較低的富Ce混合稀土 RE,其抗熱裂效果與加入單一純稀土相同。富Ce混合稀土 RE的加入量過多會在合金中析出大量的金屬間化合物,降低合金的韌性,因此,本發(fā)明中富Ce混合稀土 RE含量控制在0.1?1.5wt.%。進一步加入Ag元素能增強鎂合金的時效強化效應,提高合金的高溫強度,從而提高凝固過程中的抗熱裂能力,但是加入量過多會增加合金的密度和成本,因此,本發(fā)明合金中Ag含量控制在0.1?1.5wt.%。與此同時,加入Ca元素來降低合金熔煉過程中的氧化燃燒,減少熔體中的氧化夾雜,保證熔體純凈度,進而降低合金的熱裂傾向。但是,Ca的加入會降低合金的延伸率,因此,本發(fā)明中Ca含量控制在0.1?Iwt.%。另外,采用Zr作為晶粒細化劑,以提高合金的韌性和改善合金的工藝性能。本發(fā)明中Zr含量控制在0.3?0.7wt.%。
      [0020]與現有技術相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
      [0021](I)本發(fā)明優(yōu)化了 Mg-Gd-Y系鎂合金配方中GcUY元素的含量,同時復合加入富Ce混合稀土 RE、Ag和Ca,以提高合金的抗熱裂能力,改善合金鑄造性能,同時保持Mg-Gd-Y鎂合金的綜合力學性能。
      [0022]RE元素能使合金凝固溫度區(qū)間變窄,降低鎂合金熱裂傾向,改善鑄造性能;Ca元素的加入可以減輕熔煉過程中金屬熔體的氧化燃燒,降低熔體中的氧化夾雜含量,保證熔體純凈化,進而提高合金的抗熱裂性能;Ag元素能增強鎂合金的時效強化效應,提高鎂合金的高溫強度,從而提高凝固過程中的抗熱裂能力。以上三者聯合加入Mg-Gd-Y鎂合金能夠達到顯著降低其熱裂傾向的效果。
      [0023](2)本發(fā)明鎂合金既有低的鑄造熱裂傾向,又保持了良好的室溫、高溫力學性能,在航空、航天領域具有廣闊的應用前景。采用熱裂環(huán)法測試合金的熱裂傾向:臨界斷裂直徑為Φ93?98mm(即環(huán)寬為7.5?5mm),而相同條件下未加入富Ce混合稀土 RE、Ca和Ag的Mg-Gd-Y-Zr合金的臨界斷裂直徑為Φ53?58mm(即環(huán)寬為27.5?25mm)(合金的臨界斷裂直徑越大或環(huán)寬越小則合金的熱裂傾向性越小),其熱裂傾向大幅度下降。砂型鑄造T6熱處理條件下的室溫抗拉強度、屈服強度、伸長率分別大于350MPa、230MPa、3%,與相同條件下未加入富Ce混合稀土 RE、Ca和Ag的Mg-Gd-Y-Zr合金性能相當。

      【具體實施方式】
      [0024]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是,對本領域的普通技術人員來說,在不脫離本發(fā)明構思的前提下,還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
      [0025]實施例1
      [0026]本實施例涉及一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,合金成分(重量百分比)為:Gd8wt.%,Y 2wt.%,富 Ce 混合稀土 RE 1.5wt.% ,kg 1.5wt.%,Ca lwt.%, Zr 0.6wt.%,雜質元素S1、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02wt.%,余量為Mg。
      [0027]其中,富Ce混合稀土 RE中含Ce量為51.5wt.%,含La量為32wt.%,含Pr量為12wt.%,含Nd量為3.7wt.%,稀土金屬總量為99.2wt.%。
      [0028]合金的熔煉工藝為:
      [0029]按照上述成分配制合金,首先將鎂錠、Mg-Gd、Mg-Y、Mg_Zr中間合金和富Ce混合稀土 RE預熱到200°C,然后將鎂錠在SFf^P 0)2混合氣體(SF6體積含量為2.5Vol.% )保護下加熱,待鎂錠完全熔化后在680°C加入純Ca,之后升溫至730°C加入富Ce混合稀土 RE,當鎂液溫度達到740 °C后加入Mg-Gd中間合金,Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至740 °C時再加入Mg-Y中間合金,Mg-Y熔化后將鎂液溫度升至770°C加入Mg-Zr中間合金,待其熔化后撇去表面浮渣,攪拌3分鐘,鎂液溫度回升至770°C時,保持加熱狀態(tài)并在攪拌過程中加入純Ag,再將鎂液溫度在770°C保溫15分鐘后降溫至740°C,不斷電精煉5分鐘,精煉后在740°C靜置20分鐘,待鎂液冷卻至700°C后撇去浮渣,低壓鑄造。
      [0030]制得的合金經450°C、30小時固溶和180°C,40小時的時效處理后,室溫抗拉強度為365MPa、屈服強度為235MPa、伸長率為3.8%,熱裂環(huán)臨界斷裂直徑為Φ98πιπι(即環(huán)寬為5mm) ο
      [0031]實施例2
      [0032]本實施例涉及一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,合金成分(重量百分比)為:Gd9wt.%, Y 3wt.%,富 Ce 混合稀土 RE lwt.% ,kg lwt.%, Ca 0.5wt.%, Zr 0.5wt.%,雜質元素S1、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02wt.%,余量為Mg。
      [0033]其中,富Ce混合稀土 RE中含Ce量為62wt.%,含La量為30wt.%,含Pr量為5wt.%,含Nd量為2.5wt.%,稀土金屬總量為99.5wt.%。
      [0034]合金的熔煉工藝為:
      [0035]按照上述成分配制合金,首先將鎂錠、Mg-Gd、Mg-Y、Mg_Zr中間合金和富Ce混合稀土 RE預熱到220°C,然后將鎂錠在熔劑保護下加熱,待鎂錠完全熔化后在700°C加入純Ca,之后升溫至720°C加入富Ce混合稀土 RE,當鎂液溫度達到750°C后加入Mg-Gd中間合金,Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至750°C時再加入Mg-Y中間合金,Mg-Y熔化后將鎂液溫度升至780 °C加入Mg-Zr中間合金,待其熔化后撇去表面浮渣,攪拌3分鐘,鎂液溫度回升至780 V時,保持加熱狀態(tài)并在攪拌過程中加入純Ag,再將鎂液溫度在780°C保溫30分鐘后降溫至750°C,不斷電精煉6分鐘,精煉后的在750°C靜置25分鐘,待鎂液冷卻至720°C后撇去浮澄,重力鑄造。
      [0036]制得的合金經520°C、20小時固溶和220°C,15小時的時效處理后,室溫抗拉強度為380MPa、屈服強度為243MPa、伸長率為4.3%,熱裂環(huán)臨界斷裂直徑為Φ93πιπι(即環(huán)寬為7.5mm)。
      [0037]實施例3
      [0038]本實施例涉及一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,合金成分(重量百分比)為:Gd 1wt.%, Y 4wt.%,富 Ce 混合稀土 RE 0.5wt.%, Ag 0.5wt.%, Ca 0.2wt.%, Zr
      0.4wt.%,雜質元素S1、Fe、Cu和Ni的總量小于0.02wt.%,余量為Mg。
      [0039]其中,富Ce混合稀土 RE中含Ce量為55wt.%,含La量為35wt.%,含Pr量為6wt.%,含Nd量為3.3wt.%,稀土金屬總量為99.3wt.%。
      [0040]合金的熔煉工藝為:
      [0041]按照上述成分配制合金,首先將鎂錠、Mg-Gd、Mg-Y、Mg_Zr中間合金和富Ce混合稀土 RE預熱到240°C,然后將鎂錠在SFf^P 0)2混合氣體(SF6體積含量為0.5Vol.% )保護下加熱,待鎂錠完全熔化后在680°C加入純Ca,之后升溫至720°C加入富Ce混合稀土 RE,當鎂液溫度達到760 °C后加入Mg-Gd中間合金,Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至760 °C時再加入Mg-Y中間合金,Mg-Y熔化后將鎂液溫度升至800°C加入Mg-Zr中間合金,待其熔化后撇去表面浮渣,攪拌4分鐘,鎂液溫度回升至800°C時,保持加熱狀態(tài)并在攪拌過程中加入純Ag,再將鎂液溫度在800°C保溫15分鐘后降溫至760V,不斷電精煉10分鐘,精煉后的在760V靜置30分鐘,待鎂液冷卻至730°C后撇去浮渣,低壓鑄造。
      [0042]制得的合金經550°C、8小時固溶和275°C,6小時的時效處理后,室溫抗拉強度為400MPa、屈服強度為248MPa、伸長率為3.5%,熱裂環(huán)臨界斷裂直徑為Φ93πιπι(即環(huán)寬為7.5mm)。
      [0043]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式,本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實質內容。
      【權利要求】
      1.一種低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,其特征在于,所述鎂合金包括如下重量百分比含量的各組分:8?1wt.% Gd,2?4wt.% Y,0.1?1.5wt.%富Ce混合稀土 RE,0.1?1.5wt.% Ag,0.1 ?Iwt.% Ca, 0.3 ?0.7wt.% Zr,雜質元素 S1、Fe、Cu 和 Ni 的總量小于0.02wt.%,余量為 Mg。
      2.根據權利要求1所述的低熱裂傾向高強鑄造鎂合金,其特征在于,所述富Ce混合稀土 RE中含Ce量不小于50wt.%,稀土金屬總量不小于99wt.%,除Ce外的其它稀土金屬元素為 La、Pr、Nd。
      3.一種如權利要求1所述的低熱裂傾向高強鑄造鎂合金的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括如下步驟: A、按所述合金的成分及化學計量比,計算所需原料的用量;所述原料為鎂錠、富Ce混合稀土 RE、工業(yè)純Ca、工業(yè)純Ag、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中間合金; B、熔煉處理:將鎂錠在熔劑保護或SF#PCO2混合氣體保護下加熱,待鎂錠完全熔化后在680?700°C加入純Ca,之后升溫至720?730°C加入富Ce混合稀土 RE,當鎂液溫度達到740?760 °C后加入Mg-Gd中間合金,Mg-Gd熔化后鎂液溫度回升至740?760 °C時再加AMg-Y中間合金,Mg-Y熔化后將鎂液溫度升至770?800°C加入Mg-Zr中間合金,待其熔化后撇去表面浮渣,攪拌2?4分鐘,鎂液溫度回升至770?800°C時,保持加熱狀態(tài)并在攪拌過程中加入純Ag,再將鎂液溫度升至770?800°C保溫15?30分鐘后降溫至740?760°C,不斷電精煉5?10分鐘,精煉后在740?760°C靜置20?30分鐘,待鎂液冷卻至700?730°C后撇去浮渣,用澆包澆鑄或低壓鑄造; C、將步驟B得到的澆鑄或鑄造鎂合金在450?550°C溫度中進行8?30小時的固溶處理,隨后在180?275°C的溫度下進行6?40小時的時效處理;即得所述低熱裂傾向高強鑄造鎂合金。
      4.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟A中,所述Mg-Gd中間合金中Gd占 25 ?30wt.%。
      5.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟A中,所述Mg-Y中間合金中Y占25 ?30wt.%。
      6.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟A中,所述Mg-Zr中間合金中Zr占 25 ?30wt.%。
      7.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟A中,所述富Ce混合稀土RE中含Ce量不小于50wt.%,稀土金屬總量不小于99wt.%,除Ce外的其它稀土金屬元素為La、Pr、Nd。
      8.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟B中,所述熔煉處理前還包括將鎂錠、Mg-Gd、Mg-Y、Mg-Zr中間合金和富Ce混合稀土 RE預熱到200°C?240°C的步驟。
      9.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,步驟B中,所述SF6和CO 2混合氣體中SF6體積含量為0.5?2.5%。
      【文檔編號】C22C1/03GK104498797SQ201410855303
      【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權日:2014年12月31日
      【發(fā)明者】吳國華, 張亮, 劉文才, 魏廣玲, 丁文江 申請人:上海交通大學
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