[发明专利]适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd-Er合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种适于重力铸造的高强韧耐热Mg‑Gd‑Er合金及其制备方法，所述合金包括按质量百分数计的如下元素：4.0～10.0％RE、2.0～6.0％Zn、0.5～1.2％Al、0.1～0.3％Mn、0.01～0.08％M,余量为Mg和其他不可避免的杂质，其中RE为Gd和Er，M为Ti和B中的至少一种元素。本发明的高强韧耐热铸造Mg‑Gd‑Er合金经重力铸造、二级固溶处理与人工时效热处理后，室温抗拉强度为298MPa，延伸率17％；200℃下高温拉伸抗拉强度为217MPa，延伸率21％，满足航空航天、军工、汽车等行业对轻量化发展的高端需求。

技术领域

本发明涉及一种适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Gd-Er合金及其制备方法，属于工业用镁合金及制造领域。

背景技术

镁合金作为最轻的工程金属材料(镁的密度为铝的2/3，钢的1/4)，其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度虽然与铝合金和钢相当，但远高于工程塑料，同时具有良好的铸造性、切削加工性好、导热性好、阻尼性以及电磁屏蔽能力强和易于回收等一系列优点，在航空、航天、汽车、电子及国防军工等领域有着广泛的应用前景。镁合金成为替代铝合金、钢铁和工程塑料以实现轻量化的理想材料，其中替代潜力最大的是铝合金。铸造铝合金具有必要的强韧性能和热稳定性，目前已经广泛用于生产发动机缸体和缸盖及轮毂等零件，代表的合金为A354、A356和A380。如果镁合金取代铸造铝合金，它必须具备等同的强韧性能，且价廉、易于铸造。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的铸造方法，包括砂型浇铸、熔模铸造、金属型铸造等。与目前普遍采用的合金压铸工艺相比较，重力铸造的投资成本大为降低，是生产几何形状复杂铸件的主要方法。

Mg-Al类镁合金的应用最早，其主要合金元素铝和镁的原子半径差较大同时在镁中有较大的固溶度，在合金中起固溶强化和析出强化的作用。在1925年发现少量的Mn显著提高Mg-Al-Zn系镁合金的耐蚀性后，AZ(如AZ91)和AM系镁合金(如AM60、AM50)发展成为目前应用最广泛的商业化镁合金。然而AZ和AM镁合金的高温蠕变性能很差，比常用铝合金低一个数量级还多，在温度高于150℃时的拉伸强度迅速降低，其原因在于在高温蠕变过程中过饱和的α-Mg基体在晶界处的Mg₁₇Al₁₂相非连续析出。通过加入合金元素以改善析出相的特性(晶体结构、形态及热稳定性)来提高Mg-Al合金的耐热性能，但其常温和高温力学性能仍无法达到铸造铝合金的水平，严重限制了其应用发展。

锌Zn是镁合金中重要的合金元素，在Mg中的最大固溶度高达6.2wt％，能起到固溶强化和时效强化作用。典型的Mg-Zn系铸造镁合金包括ZK51A和ZK60A，变形合金包括ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A和ZK61等。随Zn含量增加，合金的抗拉强度和屈服强度提高，但是其断后伸长率降低，铸造性能、工艺塑性和焊接性能恶化，特别是因凝固范围过宽(例如ZK60的凝固区间高达265℃，Journal of Materials Science 45(14)(2010)3797-3803.)导致热裂倾向极为严重，不能用于压铸。