[发明专利]一种Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金的制备方法

说明书

本发明公开了一种Mg‑Ce‑Mn‑Sc耐热镁合金的制备方法，其包括如下步骤：步骤一，配料；步骤二，熔炼；步骤三，固溶处理；步骤四，时效处理。其能够显著细化Mg‑Ce‑Mn‑Sc耐热镁合金的晶粒和能够改善Mg‑Ce‑Mn‑Sc耐热镁合金的显微组织，提高合金的抗拉性能和300℃高温抗蠕变性能，扩大合金的应用范围。

技术领域

本发明涉及一种耐热镁合金，具体涉及一种Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金的制备方法。

背景技术

镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点，被誉为21世纪“绿色结构材料”。但目前由于现有镁合金的高温抗蠕变性能差，长期工作温度不能超过120℃，使其无法用于制造对高温蠕变性能要求高的汽车发动机及其他传动部件，因此极大地阻碍了镁合金的进一步推广应用。也正是由于这样，国内外对于具有高温抗蠕变性能的耐热镁合金的研究开发给予了广泛关注和高度重视，并在Mg-Sc二元镁合金的基础上试制研究出了在300℃乃至到350℃仍具有较高抗蠕变性能的Mg-RE(Ce/Y/Gd)-Mn-Sc新型四元耐热镁合金。在这些已得到试制研究的Mg-RE-Mn-Sc四元耐热镁合金中，Mg-Ce-Mn-Sc四元镁合金由于具有高温性能较好和成本较低等方面的优势，被认为是一种很有发展前途的新一代高温抗蠕变镁合金。与其他Mg-RE-Mn-Sc四元耐热镁合金相比，Mg-Ce-Mn-Sc四元耐热强化机理主要在于通过Mn和Sc添加导致形成了在300℃乃至到350℃具有很好热稳定性的Mn2Sc相。同时，在晶界形成的共晶Mg12Ce对抗蠕变性能有进一步的增强作用。然而，从已有Mg-Ce-Mn-Sc四元耐热镁合金的研究结果看，虽然该合金具有较好的高温抗蠕变性能，但由于该合金粗大的晶粒和晶界Mg12Ce共晶相呈连续网状分布，使其抗拉性能较低，尤其是延伸率，从而极大影响了该系合金在汽车及航空航天等领域的应用。

众所周知，晶粒细化和热处理强化是改善稀土镁合金显微组织和提高力学性能行之有效的方法。目前，国内外对于Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金晶粒细化的研究还涉及得非常少。CN101985712A公开了一种加Zr细化Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金晶粒的方法，其是在熔剂或气体保护下，将Mg-Ce-Mn-Sc镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740℃，然后加入占炉料总重量的0.6-1.2wt.％Zr而使合金晶粒得到细化。然而，也有研究认为[1-EmleyE.F.Principles of Magnesium Technology,Pergamon,Oxford,1966,pp.127-155；2-Bamberger M,Dehm G.Trends in the development of new Mg alloys[J].AnnualReview Mater.Res.,2008,38:505-533]，在含Mn的镁合金中添加Zr，Zr和Mn会形成MnZr2等化合物从而导致Zr对含Mn镁合金并没有明显的晶粒细化作用。很显然，对于在Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金中添加Zr是否能细化合金的晶粒目前还存在较大的争议，但无论是否有细化效果，有一点是确定无疑的，那就是根据相图计算，Zr添加到Mg-Ce-Mn-Sc四元耐热镁合金后，Zr和Mn会形成MnZr₂化合物从而消耗了Mn并最终影响到Mn₂Sc相的形成并降低其数量，而这显然对Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金的高温抗蠕变性能是不利的。至于热处理强化，考虑到Sc在Mg中的固溶度高，最大固溶度25.9％，而Ce在Mg中的固溶度很低，最大固溶度1.9％，加之合金组织中形成的Mg₁₂Ce共晶相的稳定性高，通过传统固溶处理方法很难使Mg12Ce共晶相分解和溶入基体，所以对于Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金的热处理强化主要从T5时效处理角度进行考虑，而从固溶+时效处理角度进行考虑则基本上没有涉及。并且镁合金现有固溶处理均是在合金铸造冷却到室温后重新加热到固溶处理温度条件下进行；这种传统的固溶处理方法存在加热和保温时间长、能源消耗大等问题；此外，还必须严格控制加热方式和加热速度等工艺因素，因为一旦加热方式和加热速度选择不当，将会产生加热不均从而难以达到固溶处理的目的，严重时甚至使合金产生过烧等缺陷，并最终导致合金的综合力学性能受到影响。很显然，对Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金进行T5时效处理强化仅仅使Sc的作用得到了发挥而Ce的作用则基本上没有得到体现。因此，有必要从晶粒细化和热处理两方面着手，对Mg-Ce-Mn-Sc耐热镁合金的制备方法进行研究。