[发明专利]新型耐热高强Mg-Al-Ca-Gd镁合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种新型耐热高强Mg‑Al‑Ca‑Gd镁合金及其制备方法。本发明的合金化学成分质量百分比为：铝：5.4‑6.3，锰：0.5‑0.9，钙：3.9‑4.0，钆：0.3‑0.7，其余为镁和不可避免的杂质；同时，该镁合金还含有添加元素锌和锑质量百分比：锌；0‑0.1，锑：0‑0.09。制备方法：坩埚底部涂上氮化硼，加入纯镁锭，然后加入所需铝锭，在CO₂和SF₆混合气体保护下加热熔化；将预热的镁‑钆中间合金加入熔体中；将预热的加入铝‑锰或镁‑锰中间合金加入熔体中，均匀搅拌，进行除铁和硅杂质；加入元素钙或镁‑钙中间合金到熔体中，温度保持在800℃以下，均匀搅拌；静止处理，待温度降至720℃以下，将熔体直接进行浇注可获得铸锭；或者先浇注成铸锭，然后将铸锭在270‑470℃挤压成型材或厚板，再轧制成薄板。

技术领域

本发明涉及一种新型耐热高强Mg-Al-Ca-Gd镁合金及其制备方法

背景技术

镁合金是世界上最轻的金属结构材料，在汽车工业轻量化、低排放的竞争领域中有着重要的应用价值和广泛的发展前景【Joost W J,Scripta Materialia,2017,128:107-112.】。然而，镁合金的绝对强度较低，尤其是高温性能较差，限制其在发动机和传动机构零部件方面的应用，然而这一类零部件对于汽车整车减重来说起着举足轻重的作用^[4]。目前，在汽车用耐热镁合金领域，欧美等发达国家处于世界领先水平。反观国内，在发达国家对我国技术严控出口及专利保护的情况下，耐热镁合金在我国汽车行业上的应用与国外有较大差距。而耐热镁合金在高温结构件中的应用是重要的发展趋势，为此，我国国家重点研发计划“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项中将其列为重点研究对象之一。因此，高性能耐热镁合金的开发及对其蠕变断裂机理方面的研究具有极强的应用前景和迫切需求【文丽华,轻合金加工技术,2016,44(9):7-11】。

通过合金化开发新型耐热镁合金是重要的发展方向。Mg-Al系镁合金具有良好的铸造性能且价格低廉。通过添加稀土元素开发的镁合金，如Mg-Al-RE等AE系镁合金，其蠕变强度高且综合性能良好，可用于汽车动力系统部件^[8]。然而，AE系镁合金仅适合采用冷却速度较快的压铸法生产，这是因为较慢的冷却速度会导致粗大的Al₂RE化合物形成，从而降低镁合金的力学性能【Zhang J,Zhang M,Materials Science and Engineering A 2010,527:2527-2537】。另一方面，由于稀土金属比较昂贵，AE系镁合金在汽车行业及动力系统领域的应用受到很大限制【Pan F,Journal of Materials Science and Technology,2016,32(12):1211-1221】。由此，人们寻找其他的元素通过添加碱土元素(Ca、Sr、Ba)来开发新型的耐热镁合金，来降低成本。其中，Ca由于价格低廉，熔点较低，密度与Mg接近(约为1.55g/cm³)，作为镁合金添加元素越来越受到人们的关注【Amberger D,Acta Materialia,2012,60(5):2277-2289】。在常规镁合金中添加Ca元素不仅可以提高镁合金的氧化燃烧温度，而且可以细化铸造组织，提高镁合金的常温力学性能以及高温抗蠕变性能。Elamami等研究了Ca/Al变化对Mg-Al-Ca合金中相的选择及性能的影响，结果表明，Mg-Al-Ca合金中当Ca/Al在0.6～0.9之间时，(Mg/Al)₂Ca相主要以C36及C14为主，而C15较少，在高温蠕变过程中对晶界滑移具有十分有效的阻碍作用,从而可显著提高镁合金的耐热性能；另一方面，(Mg/Al)₂Ca呈现粗大网状或板片状，严重降低强度及韧性，相比于含稀土耐热镁合金，性能存在较大不足【Elamami H A,Journal of Alloys and Compounds,2018,764:216-225】。