[发明专利]一种基于Mg-Gd-Y制备高浓高性能镁合金的设计方法及镁合金

说明书

本发明公开了一种基于Mg‑Gd‑Y制备高浓高性能镁合金的设计方法，采用镁、镁钇中间合金、镁钆中间合金为原料，以等比例高合金化为手段，通过对Gd和Y合金元素的配比和总含量的调控，不仅提高稀土镁合金的合金化程度，还能调控析出相类型、比例和形貌，再加之固溶强化、细晶强化及沉淀强化等耦合方式提升综合性能，从而开发一系列高合金化高性能稀土变形镁合金。本发明优化制备的镁合金经室温力学性能测试，挤压态下屈服强度可达345MPa，抗拉强度可达348MPa，且研究发现，通过此方法制备的镁合金体系得到的力学性能随合金含量增加呈非线性的变化规律，Gd和Y元素总含量为16～18wt％时获得最优的力学性能。本发明为多元素复合添加开发高性能变形镁合金提供了理论基础。

技术领域

本发明涉及镁合金铸造制备技术领域，一种含稀土元素镁合金及其制备方法特别的涉及一种基于Mg-Gd-Y制备高浓高性能镁合金的设计方法。

背景技术

镁合金是二十一世纪最具发展潜力的新型轻质结构材料，其密度比钢低约75％，比铝合金低约35％。同时，它还具有较高的比强度、比刚度以及良好的机械加工性能。因此，其作为重要结构件可以很大程度上的减轻重量，从而达到节能减排的目的。镁及镁合金主要应用于航空航天、汽车、装甲、便携式电子设备以及生物医学等领域。但由于密排六方结构的镁合金在室温变形时只有单一的基面滑移系，且强度相对于钢和铝合金较低，严重限制了镁合金在高强韧方面的应用。因此，开发一种新型的高强变形镁合金对于扩大镁合金应用范围具有重要意义。

近年来，研究者们发现通过添加稀土合金元素对于提升镁合金的综合力学性能有显著的作用。稀土合金元素通常在镁基体中具有较大的固溶度，例如Gd在镁基体中最大固溶度(wt.％)可达约23％，因而具有良好的固溶强化作用。但稀土合金元素在镁基体的溶解度会随温度降低而减少，说明其还具有很好的时效硬化效应。现有研究大多通过改变单一合金元素含量，在较小的成分范围内证明，提高合金含量可以改善镁合金力学性能。因此，通过改变稀土合金元素添加总量有望提高镁合金力学性能的潜能，进而开发新型的高强、高韧稀土变形镁合金，扩大镁合金在工业生产中的应用领域。但对于多元素的复合添加，特别是在较宽的成分范围内，镁合金性能随合金含量的整体、通用性变化规律还尚不清楚。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于Mg-Gd-Y制备高浓高性能镁合金的设计方法，以等比例高合金化为手段，通过对Gd和Y合金元素的配比和总含量的调控，不仅提高稀土镁合金的合金化程度，还能调控析出相类型、比例和形貌，再耦合加工工艺，从而开发一系列高合金化高性能稀土变形镁合金。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于Mg-Gd-Y制备高浓高性能镁合金的设计方法，包括以下步骤：

1)以Mg-Gd-Y体系为对象进行相图分析，根据三元相图选择相界线附近Gd和Y的质量比，调控后续挤压变形中析出相类型和数量；

2)以纯镁锭、镁钆中间合金和镁钇中间合金为原料进行组分配料，首先通过熔炼和浇铸得到镁合金铸锭，再通过均匀化处理和挤压变形处理得到变形镁合金；在进行组分配料时，通过控制钆和钇合金元素总量来调控后续挤压变形中析出相的形貌，从而调控变形镁合金的力学性能。

进一步的，步骤1)中所述Gd和Y的质量比为1.8～2.1:1。这样，通过相图计算结果分析，其恰好在相界线附近。因此，选择上述等比例添加Gd和Y合金元素，不仅提高稀土镁合金的合金化程度，还能引入Mg₂₄Y₅和Mg₅Gd析出相类型。

进一步的，步骤2)中所述变形镁合金中钆和钇总合金元素的质量百分含量为9％～27.1％。这样，随钆和钇合金元素含量增多，制备的镁合金体系得到的力学性能呈非线性变化的规律；且随钆和钇合金元素含量增多，第二相析出增多，其尺寸形貌由链状小颗粒向块状转变。