改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法

摘要

本发明涉及高强度镁合金的塑性提高领域，具体为一种有效利用元素Li改善高强度Mg‑Gd‑Y‑Nd‑Zr镁合金塑性成型能力的方法，解决了高强度塑性极差的问题。在保持合金中所有元素相对含量不变的前提下，通过添加重量百分含量为5～20％的Li元素，使合金中形成具有较强塑性变形能力的β‑Li相，并控制形成β‑Li相的体积分数(20～90％)，制备出具有高强度和较好塑性的含锂Mg‑Gd‑Y‑Nd‑Zr合金，经合金熔炼及后续热轧制加工成板材，其加工工艺操作简单、方便。本发明材料在铸态条件下的抗拉强度为σ

说明书

技术领域

本发明涉及高强度镁合金的塑性提高领域，具体为一种有效利用元素Li改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的方法。

背景技术

在所有金属结构材料中，镁合金的密度是最低的，分别为铝合金的2/3，不锈钢的1/4。若镁合金材料能够大部分取代不锈钢和铝合金在飞机和车辆上得到应用的话，不仅可以达到解决自身轻量化和提速的目的，而且还能有效地解决节能和环保相关的一系列问题。同时，镁合金还具有比强度和比刚度高、抗高能粒子穿透能力强、电磁屏蔽性能好、阻尼性能好、切削加工性优良等优点，使得镁合金在航空航天和汽车等高新技术领域有着潜在的应用前景。

然而，与传统金属结构材料相比，镁合金的绝对工程强度较低，很难满足工程构件的承载能力要求，严重制约了该合金的应用与进一步的发展。近年来，研究人员发现稀土元素的添加可以显著强化镁合金，可使Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金的最大抗拉强度达到400MPa以上，与中等强度铝合金的基本相当。然而，Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金的塑性极差，其延伸率很难超过5％，致使合金的塑性成型能力非常有限。

早期研究表明，元素Li的加入可以促使镁合金中β-Li相的形成，可显著提高合金的塑性成型能力。可以预测，若向高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金中添加一定重量百分比的Li元素，形成一定体积分数的β-Li相，可有效地改善合金的塑性成型能力，最终将极大的推动并拓宽高强度镁合金的实际工程应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，在保持合金中所有元素相对含量不变的前提下，通过添加一定重量百分比的Li元素，使合金中形成具有较强塑性变形能力的β-Li相，并控制形成β-Li相的体积分数，制备出具有高强度和较好塑性的含锂Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金，解决高强镁合金塑性成型能力差等问题。

本发明的技术方案是：

一种改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，合金中锂含量为5～20％，所形成β-Li相的体积分数为20～90％。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，按重量百分比计，钆含量为5～10％；钇含量为3～8％；钕含量为0.5～2％；锆含量为0.3～1.0％；锂含量为5～20％；镁余量。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，合金在铸态条件下的抗拉强度为σ_b＝120～250MPa；屈服强度为σ_0.2＝80～150MPa；延伸率为δ＝10～30％；合金的密度为1.50～1.89g/cm³。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，合金板材在40％轧制量的变形后不会出现边裂现象。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，将Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金和纯锂锭在真空冶炼炉中熔化、且在有氩气保护的条件下进行，于740～780℃温度下保温3～5小时后，在炉内进行浇铸成型获得铸锭。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，将铸锭在300～400℃温度条件下进行6～10小时的均匀化处理，并用铝箔严密包裹，以防止合金的因高温氧化而可能出现的燃烧。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，在室温至350℃温度条件下，将均匀化处理后的铸锭进行塑性加工处理。

所述的改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法，塑性加工处理为不同变形比的挤压、轧制或锻造。

本发明的设计思想是：

本发明通过合理向高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金中添加一定重量百分比的Li元素(优选为8～12％)，在保持合金中其它元素相对含量不变的前提下(按重量百分比计，钆(Gd)含量为5～10％；钇(Y)含量为3～8％；钕(Nd)含量为0.5～2％；锆(Zr)含量为0.3～1.0％；含量为5～20％；镁余量)，使合金中形成一定体积分数的β-Li相(β-Li相的体积分数优选为60～90％)。经均匀化处理后，使合金中粗大共晶组织得以固溶，这样的作用在于：消除凝固过程中形成大尺寸共晶组织造成的应力集中，极大的发挥出β-Li相具有的塑性变形协调能力，有效避免了塑性加工变形过程中板材的边裂现象，最终显著提高了合金的塑性成型能力。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用该方法可以充分利用元素Li对镁合金塑性变形协调能力的提高，显著改善了镁合金塑性加工成型能力，有效推动了镁合金的实际工程应用。

2、本发明采用该方法获得了具有低密度、高强度、塑性成型能力强的镁合金材料，特别适合于轻质、高强、高韧的用材需求。

3、本发明所用的设备简单，成本较低，加工工艺操作简单、方便。

附图说明

图1含与不含Li的高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr镁合金(比较例1和实施例1)的XRD相分析结果。图中，横坐标2θ为衍射角(degree)，纵坐标Intensity为强度(a.u.)

图2含与不含Li的高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr镁合金(比较例1和实施例1)的微观组织照片。其中，

(a)比较例1合金Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr；(b)实施例1合金Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li。

图3(a)-图3(b)含与不含Li的高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr镁合金(比较例1和实施例1)的塑性变形能力对比。其中，图3(a)比较例1轧制量为12％的Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr合金板材侧面，边裂现象严重；图3(b)实施例1轧制量为40％的Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li合金板材侧面，无边裂现象。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，需要说明的是给出的实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围并不限于以下实施的具体实施例。

比较例1

本实施例中，改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法如下：

Ⅰ)、采用的镁锂合金成分

使用高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr合金，其化学成分(重量百分含量)为：钆含量为7％；钇含量为5％；钕含量为1％；锆含量为0.5％；镁余量。

Ⅱ)、合金冶炼

在真空冶炼炉中氩气保护条件下进行合金冶炼，770℃温度下保温4小时后，在炉内进行浇铸成型。

Ⅲ)、均匀化处理

对高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr合金在400℃保温8小时，并用铝箔严密包裹，以防止合金的因高温氧化而可能出现的燃烧。

Ⅳ)、塑性加工变形

在室温条件下，对均匀化后合金进行轧制成型，轧下量为12％。

Ⅴ)、微观组织表征

组织观察的样品其制备过程如下：采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面，然后采用油基金刚石研磨膏机械抛光。XRD结果表明，比较例1样品中主要含有α-Mg和Mg5Gd相，相应照片见附图1。光学观察结果表明，比较例1样品中不存在β-Li相，相应照片见附图2(a)。

Ⅵ)、力学性能测试

合金的室温拉伸性能样品为板状，试样标准长度为25mm，宽度为5mm，厚度为4mm。拉伸试验的应变速率为1×10^-3s^-1，拉伸试验在MTS(858.01M)拉扭试验机上进行，确定出合金相应的拉伸性能，其屈服和抗拉强度分别为148MPa和220MPa，延伸率为1％，列于表1。

Ⅶ)、塑性加工成型能力

轧制量为12％时，高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr合金板材侧面出现严重的边裂现象，见图3(a)。

实施例1

本实施例中，改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法如下：

Ⅰ)、采用的含锂Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li合金成分

使用含锂的高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li合金，其化学成分(重量百分含量)为：钆含量为7％；钇含量为5％；钕含量为1％；锆含量为0.5％；锂含量为10％；镁余量。

Ⅱ)、合金冶炼

将Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金和纯锂锭在真空冶炼炉中熔化、且在有氩气保护的条件下进行合金冶炼，770℃温度下保温4小时后，在炉内进行浇铸成型。

Ⅲ)、均匀化处理

对高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li合金在400℃保温8小时，并用铝箔严密包裹，以防止合金的因高温氧化而可能出现的燃烧。

Ⅳ)、塑性加工变形

在室温条件下，对均匀化后合金进行轧制成型，轧下量为40％。

Ⅴ)、微观组织表征

组织观察的样品其制备过程如下：采用1000号碳化硅水磨砂纸磨平表面，然后采用油基金刚石研磨膏机械抛光。XRD结果表明，实施例1样品中主要含有β-Li、α-Mg和Mg5Gd相，相应照片见附图1。光学观察结果表明，实施例1样品中形成的准晶相体积分数为75％，相应照片见附图2(b)。

Ⅵ)、力学性能测试

拉伸试样加工和拉伸性能测试方法如下：合金的室温拉伸性能样品为板状，试样标准长度为25mm，宽度为5mm，厚度为4mm。拉伸试验的应变速率为1×10^-3s^-1，拉伸试验在MTS(858.01M)拉扭试验机上进行，确定出合金相应的拉伸性能。测得实施例1合金样品的屈服和抗拉强度分别为105MPa和195MPa，延伸率为24％，列于表1。

Ⅶ)、塑性加工成型能力

轧制量为40％时，高强度Mg-7％Gd-5％Y-1％Nd-0.5％Zr-10％Li合金板材侧面无边裂现象，见图3(b)。

实施例2

本实施例中，改善高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金塑性成型能力的有效方法如下：

Ⅰ)、采用的含锂Mg-9％Gd-6％Y-1.5％Nd-0.5％Zr-10％Li合金成分

使用含锂的高强度Mg-9％Gd-6％Y-1.5％Nd-0.5％Zr-10％Li合金，其化学成分(重量百分含量)为：钆含量为9％；钇含量为6％；钕含量为1.5％；锆含量为0.5％；锂含量为10％；镁余量。

Ⅱ)、合金冶炼

与实施例1相同。

Ⅲ)、均匀化处理

与实施例1相同。

Ⅳ)、塑性加工变形

与实施例1相同。

Ⅴ)、微观组织表征

组织观察方法，与实施例1相同。XRD结果表明，实施例2样品中主要含有β-Li、α-Mg和Mg5Gd相。光学观察结果表明，实施例2样品中形成的准晶相体积分数为75％。

Ⅵ)、力学性能测试

拉伸试样加工和拉伸性能测试方法，与实施例1相同。测得实施例2合金样品的屈服和抗拉强度分别为135MPa和233MPa，延伸率为21％，列于表1。

Ⅶ)、塑性加工成型能力

轧制量为40％时，高强度Mg-9％Gd-6％Y-1.5％Nd-0.5％Zr-10％Li合金板材侧面无边裂现象。

本发明中，含与不含Li元素的高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金(比较例1、实施例1和实施例2)的力学性能数据，见表1。

表1

样品状态屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(％)密度(g/cm³)比较例1样品14822011.93实施例1样品105195241.56实施例2样品135233211.72

实施例结果表明，采用本发明能够有效利用元素Li显著改善了高强度Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金的塑性成型能力，解决了镁合金塑性差的问题，同时还使合金保留着较高的工程强度，拓宽了该类高强度镁合金的实际工程应用。