[發明專利]一種高強度高模量鑄造鎂稀土合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201510334807.3
• 申請日: 2015-06-16
• 公開（公告）號: CN104928546B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 劉文才;吳國華;魏廣玲;丁文江
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C23/02;C22C23/06;C22C1/03;C22F1/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中,陳少凌

技術領域

本發明涉及一種鎂合金及其制備方法，特別涉及一種高強高模鑄造鎂稀土合金及其制備方法，屬于金屬材料技術領域。

背景技術

鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，具有密度小、比強度和比剛度高、機加工性能優良等優點，在汽車、航空航天等領域有著十分廣泛的應用前景。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，構件的穩定性要求高可靠，對鎂合金的剛度以及抗彈性變形能力提出了更高的要求。同時，航空航天鎂合金部件大多因結構復雜、尺寸大而采用鑄造方法生產。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鎂稀土合金(Mg–RE)，如國外研發的含稀土釔(Y)和釹(Nd)的鎂合金WE54、WE43等，以及國內研發的Mg–Nd–Zn系列鎂合金等。與國外的合金相比，我國開發的Mg–Nd–Zn系合金性能較穩定，室溫和高溫強度與WE54合金相。對于Mg–RE合金，目前常用Zr作為晶粒細化劑，但Zr的加入也存在工藝復雜、能耗高、損耗高以及由此造成的價格昂貴等問題。

由于彈性模量是材料應力和應變之間的比例系數，實際上是原子間靜電引力的表征，其數值反映了原子間結合力的大小。通常，金屬的彈性模量對組織變化不敏感，因此需要引入其他成分以形成合金元素或化合物第二相來提高基體金屬的彈性模量。由混合定律可知，多相合金的彈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，付彭懷在博士論文《Mg–Nd–Zn–Zr合金微觀組織、力學性能和強化機制的研究》(上海交通大學，2009)中研究表明，Mg–Nd–Zn–Zr合金中Mg–Nd二元化合物和Mg–Nd–Zn三元化合物等相的彈性模量都比較低，使得Mg–Nd–Zn系合金的彈性模量也比較低，僅為40～45GPa，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鎂合金材料的需求。因此，提高鎂合金特別是鑄造鎂合金的彈性模量是發展鎂合金材料的重要課題。

發明內容

本發明通過在Mg–Nd–Zn合金中添加廉價的Al原位生成Al–RE金屬間化合物作為基體的異質形核核心，細化了合金且細化后的晶粒具有優異的熱穩定性；同時添加Li形成高彈性模量的強化相，而且通過之后相應的熱處理工藝，使該合金具有較高的強度和彈性模量。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一方面，本發明提供了一種高強度高模量鑄造鎂稀土合金，其由按如下重量百分比計的元素組成：Nd：2～4wt％、Li：1～3wt％、Zn：0.2～0.6wt％、Al：2～4wt％，余量為Mg和不可避免的雜質，其中，所述雜質中Si、Fe、Cu和Ni的總含量小于0.02wt％。

本發明采用Nd(釹)為第一組分，因為在200℃時Nd在鎂中的固溶度為幾乎為零，而在共晶溫度552℃時的固溶度為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強化和時效硬化效果；同時根據前人的研究結果，Nd的含量超過最大固溶度以后，多余的Nd便會在晶界形成粗大的第二相，這種粗大的第二相在固溶處理后仍然存在，會降低合金鑄造態的性能，因此Nd的加入量不高于4wt.％。本發明采用Zn(鋅)為第二組元，Zn的加入主要是調整鑄造性能，改進合金線收縮率和表面收縮傾向。本發明選用Li(鋰)為第三組元，Li與Al形成具有高彈性模量的Al₃Li強化相呈球狀，具有LI2型結構，晶格常數為0.4nm，可以顯著改善合金的彈性模量。本發明選用Al(鋁)為第四組元，部分Al與稀土元素Nd可形成Al–Nd金屬間化合物，在凝固過程中作為Mg基體的異質形核核心，達到細化晶粒、提高合金力學性能的效果，同時分布在晶界上的Al–Nd顆粒還可以阻礙晶界的運動，提高晶粒的熱穩定性，另一部分Al與Li形成強化相。

另一方面，本發明還提供了一種上述鎂合金的制備方法，其包括依次進行的真空熔煉和熱處理兩個步驟。

作為優選方案，所述真空熔煉步驟在CO₂和SF₆混合氣體(比例100:1)保護下進行，包括如下操作：

按鎂合金中元素的化學計量比配料后，將純Mg、純Al、純Zn和中間合金Mg–Nd在180～220℃預熱2小時以上；