[发明专利]一种高强高刚度铸造镁合金及其制备方法

说明书

本发明涉及金属材料镁合金领域，具体为一种高强高刚度铸造镁合金及其制备方法。合金各组分及其重量百分比为：1.0～10.0％Zn、0.5～6.0％Si、0.01～12.0％Y、0.01～8.0％Gd、0.1～4.0％Al、0.01～1.0％Mn、0.01～1.0％Cu，杂质元素Fe<0.005％、Ni<0.002％，其余为Mg。所述制备方法包括熔炼、热处理。本发明通过添加稀土和硅元素，在合金内生成一次高模量含硅第二相和二次纳米析出相，依靠粗大的一次析出高模量第二相提高合金模量，进而通过之后的热处理工艺调控纳米二次析出强化相保证合金的强韧性，使得该合金具有较高模量和室温强韧性。

技术领域

本发明涉及一种高强高刚度铸造镁合金及其制备方法，属于金属材料镁合金领域。

背景技术

镁合金的弹性模量通常在40GPa左右，在复杂服役环境下易受力变形引起装备功能失效，因此研发高刚度镁合金对于其在成立结构件轻量化应用具有重要意义。近年来，关于高刚度镁合金的研究日益受到关注，研究的焦点在于保证镁合金强韧性的同时提高其刚度。研究表明，利用高弹性模量的析出相或复合相增强均有利于提高镁合金的刚度，因此研发高刚度镁合金的关键在于选择高模量且与基体相容性良好的析出相，并通过制备工艺的精细化控制以获得析出相均匀弥散分布。

目前，国内外对于高模量镁合金的研究多集中于稀土镁合金，通过在高强稀土镁合金中进一步添加Si、Y等元素，通过生成等高模量第二相颗粒提高合金刚度。国外对于镁合金刚度的研究多集中于机理研究，如：美国匹兹堡大学通过第一性原理和Eshelby微观力学模型计算LPSO相对于镁合金弹性模量的影响。国内学者多致力于开发高强高刚度镁合金，目前已经取得一定的研究结果。上海交大利用高弹性模量的析出相Al₃Li，研制的Mg-4Nd-0.6Zn-3Li-4Al合金弹性模量达到60GPa。但目前高模量镁合金在提升模量的同时，仍普遍存在伸长率偏低、强度不高的状况。

发明内容

为了解决现有镁合金刚度和强度低的问题，本发明的目的在于提供一种高强高刚度铸造镁合金及其制备方法，利用双组态高模量-纳米相强化高强高刚度镁合金设计新方法，通过在合金析出的微米级一次高模量第二相提高合金模量，并调控纳米级二次析出强化相保证合金的强度和韧性，从而达到高刚度和高强韧性的协同控制。

本发明的技术方案如下：

一种高强高刚度铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比为：1.0～10.0％Zn、0.5～6.0％Si、0.01～12.0％Y、0.01～8.0％Gd、0.1～4.0％Al、0.01～1.0％Mn、0.01～1.0％Cu，杂质元素Fe<0.005％、Ni<0.002％，其余为Mg。

所述的高强高刚度铸造镁合金，合金各组分及其重量百分比优选为：5.0～8.0％Zn、1.0～5.0％Si、3.0～9.0％Y、1.0～5.0％Gd、0.5～1.5％Al、0.01～0.5％Mn、0.3～0.8％Cu，杂质元素Fe<0.005％、Ni<0.002％，其余为Mg。

所述的高强高刚度铸造镁合金的制备方法，包括熔炼、热处理，其中：合金熔炼时，Y、Gd、Mn以Mg-Y、Mg-Gd、Mg-Mn中间合金的形式加入，Zn、Si、Al、Cu以纯Zn、纯Si、纯Al和纯Cu的方式来加入；合金的热处理方式为：固溶和时效。

所述的高强高刚度铸造镁合金的制备方法，合金的熔炼工艺如下：熔炼过程在CO₂、SF₆混合气体保护下进行，将烘烤过的工业纯镁熔化后，在750～780℃加入纯Si，待硅完全熔化后，降温至720～750℃，分别加入纯Zn、纯Al、Mg-Mn中间合金、纯Cu、Mg-Y中间合金、Mg-Gd中间合金，待合金元素完全溶解后，采用常规的镁合金精炼剂进行精炼，保温除渣后进行铸造。

所述的高强高刚度铸造镁合金的制备方法，铸造方法采用压力铸造、金属型铸造或者砂型铸造。