一种金属材料技术领域的高强度耐热镁合金及其制备方法，镁合金的组分及其重量百分比为：３－１２％Ｙ、２－６％Ｓｍ、０．３５－０．８％Ｚｒ，杂质元素Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ和Ｎｉ的总量小于０．０２％，余量为Ｍｇ，熔炼时分别以Ｍｇ－Ｙ、Ｍｇ－Ｓｍ、Ｍｇ－Ｚｒ中间合金的形式向镁熔体中添加Ｙ、Ｓｍ、Ｚｒ，熔炼后得到的镁合金在经５００－５５０℃、６－１２小时的固溶处理后，在１７５－２５０℃的温度下进行６－５０小时时效处理提高其强度。本发明专利技术通过添加合金元素Ｓｍ代替ＷＥ系列合金中的Ｎｄ，并通过熔炼及热处理工艺条件，获得高强度耐热镁合金，此类镁合金具有比传统ＷＥ系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种金属材料
的合金及其制备方法，具体的说，涉及的是一种。
技术介绍
强度不足和耐热性不佳严重阻碍了镁合金在航空航天、军工及其它行业中替代铝合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高镁合金强度、耐热性等方面作用显著。Sm与Nd同属于Ce组稀土元素。Sm原子序数62，在镁中的最大固溶度为5.8mass％(0.99at％)，与镁生成的平衡相为Mg41Sm5，共晶温度为815K。Sm在镁中的最大固溶度比Nd在镁中的最大固溶度3.6mass％(0.63at％)大，因此，可能产生比Nd更良好的固溶强化和时效强化作用。而Y组重稀土元素从Gd到Lu由于在Mg中的固溶度很大，需要10wt％以上的的含量才能够达到同样的强化效果。可见，将WE系列镁合金中的Nd元素用Sm代替，由于Sm高的固溶度，可能会得到更佳的固溶强化以及时效析出强化效果，得到更佳的综合机械性能。同时可以限制合金的重量与成本在一个可以接受的范围内。Y与Sm同属于稀土元素，在Mg固溶体中时效析出纳米级的析出相，这类析出相热稳定性强，不仅可以显著提高合金室温的强度，而且对保持合金的高温强度起到重要作用。经对现有技术的文献检索发现，L.L.Rokhlin等在《Magnesium AlloysContaining Rare Earth Metals》(《稀土镁合金》)(Taylor and Francis Group，2003)一书中指出，根据稀土元素核外电子排布的不同，稀土元素可以分为两组Ce组和Y组。Ce组稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm。Ce组稀土元素在镁基体中固溶度较小；Y组稀土元素包括Y、Gd、Tb、Dy、Er、Ho、Tm、Lu。Y组稀土元素在镁基体中固溶度很大，强化效果非常明显。属于不同组的两种或多种稀土元素混合加入镁基体，合金的析出动力学及析出相序列变得更为复杂，而且可以进一步提高镁合金强度。两种不同组稀土元素混合加入镁合金，其复合强化效果比单独加入相同数量的单种稀土元素更明显。该书中同时表明，传统的铸造WE54合金经T6处理后，室温抗拉强度为255MPa，屈服强度为179MPa，延伸率为2.0％。其不足在于较低的室温性能限制了WE54合金的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种，通过添加合金元素Sm代替WE系列合金中的Nd，并通过适当的熔炼及热处理工艺条件，获得高强度耐热镁合金，使得此类镁合金具有比传统WE系列商业镁合金优越的室温强度、高温强度等力学性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术所述的高强度耐热镁合金，其组分及重量百分比为3-12％Y、2-6％Sm、0.35-0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。本专利技术采用Y为第一组分，因为Y在200℃在Mg固溶体中的固溶度为2.2wt％，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，Y的加入量不低于3wt％，而Y在Mg固溶体中的最大固溶度为12.4wt％，又为了避免合金成分和密度增加太多，以及合金过分脆化，Y的加入量不高于12wt％。采用Sm为第二组分，Sm可以降低Y在Mg中的固溶度，从而增加Y的时效析出强化效应，另外Sm的加入也可以提前时效硬度峰值的出现。Sm在Mg中的最大固溶度为5.8wt％，因此Sm的加入量应不高于6wt％，又为了充分发挥Sm的固溶强化及时效析出强化作用，Sm的加入量应不低于2wt％。采用Zr作为晶粒细化剂，以提高合金的韧性和改善合金的工艺性能。本专利技术还提供上述的高强度耐热镁合金的制备方法，具体为将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到180-220℃，然后将纯镁放入有气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在720-740℃加入Mg-Y、Mg-Sm中间合金，升温到750-770℃加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣、搅拌、精炼，精炼后静置，待镁液降温至720-740℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至180-220℃，得到本专利技术Mg-Y-Sm-Zr高强度耐热镁合金。本专利技术还可以通过以下的热处理工艺进一步提高合金的力学性能。热处理工艺包括固溶处理和时效处理，具体为将得到的Mg-Y-Sm-Zr合金在经500-550℃、6-12小时的固溶处理后，在175-250℃的温度下进行6-50小时时效处理。本专利技术的Mg-Y-Sm-Zr镁合金的室温强度及高温瞬时拉伸强度相对于WE系列合金得到显著提高。以Mg-4Y-3.5Sm-0.5Zr为例，经过热处理后室温抗拉强度为350MPa，延伸率为7.0％，200℃抗拉强度为318MPa，250℃抗拉强度为274MPa；而相同条件下WE54合金的室温抗拉强度为280MPa，延伸率为4.0％，200℃抗拉强度为241MPa，250℃抗拉强度为230MPa。Mg-Y-Sm-Zr合金的机械性能明显高于WE54合金。具体实施例方式结合本专利技术技术方案的内容提供以下实施例实施例1合金的成分(重量百分比)为3.0％Y，4.0％Sm，0.5％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金，Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，升温到760℃保温30分钟，然后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟，精炼后升温到770℃以上，静置30分钟，待镁液降温至730℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至200℃，得到Mg-3Y-4Sm-0.5Zr合金。合金的热处理工艺为500℃固溶处理6小时，175℃等温时效6小时。本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为337MPa，屈服强度为215MPa，延伸率为10.0％，200℃的抗拉强度为313MPa，250℃的抗拉强度为271MPa。实施例2合金的成分(重量百分比)为6.0％Y，6.0％Sm，0.8％Zr，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。按上述成分配制合金，其熔铸工艺为先将纯镁、中间合金Mg-Y、Mg-Sm和Mg-Zr预热到200℃，然后将纯镁放入有CO2/SF6气体保护的熔炉中熔化，待镁锭熔化后在730℃加入Mg-Y中间合金，Mg-Y熔化后镁液温度回升至730℃时再加入Mg-Sm中间合金，升温到760℃保温30分钟，然后加入Mg-Zr中间合金，待其熔化后去除表面浮渣，搅拌3分钟，再将镁液温度升至760℃保温20分钟后760℃精炼6分钟，精炼后升温到770℃以上，静置30分钟，待镁液降温至730℃后进行浇铸，浇铸用刚制模具预先加热至200℃，得到Mg-6Y-6Sm-0.8Zr合金。合金的热处理工艺为525℃固溶处理8小时，200℃等温时效16小时。本实施例所得的合金，其室温抗拉强度为316MPa，屈服强度为230MPa，延伸率为1.9％，200℃的抗拉强度为308MPa，250℃的抗拉强度为282MPa。实施例3合金的成分(重量百分比)为12.0％Y，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高强度耐热镁合金，其特征在于：组分及重量百分比为：３－１２％Ｙ、２－６％Ｓｍ、０．３５－０．８％Ｚｒ，杂质元素Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ和Ｎｉ的总量小于０．０２％，余量为Ｍｇ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李大全，王渠东，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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