本發(fā)明屬于航空用鎂合金的成分設(shè)計(jì)及制備領(lǐng)域，具體為一種航空用高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金的成分設(shè)計(jì)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的鎂-釔-釹系(mg-y-nb)鎂合金，由于具有良好的時(shí)效強(qiáng)化效果、較優(yōu)異的室溫綜合力學(xué)性能而廣泛地應(yīng)用于航空器的大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)部件，但新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和原有產(chǎn)品的升級(jí)對(duì)材料的強(qiáng)度和塑性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的m-y-nd系鎂合金鑄件組織較為粗大，已經(jīng)不能完全滿足不同工程領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因此，需要找到有效的強(qiáng)韌化方法來(lái)改善鎂-釔-釹系稀土鎂合金的組織，以提升其力學(xué)性能，破除其應(yīng)用瓶頸。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，合金化、脈沖磁場(chǎng)處理及熱處理都是強(qiáng)化鎂合金簡(jiǎn)單且有效的方法。

2、在鎂合金中，稀土元素是最能有效提升其性能的元素，在鎂合金中添加稀土元素，會(huì)使得鎂合金的諸多物理化學(xué)性能得到提升，其中主要有去氧除氫，提高抗蠕變性能，提高合金強(qiáng)度等方面的作用。與不含稀土元素的鎂合金相比，在力學(xué)性能方面，含有少量的一種或幾種稀土元素的鎂合金會(huì)更加優(yōu)異，且高溫性能提升尤為明顯。多數(shù)稀土元素的原子半徑與鎂的原子半徑相近，在高溫條件下，大多數(shù)稀土元素在鎂中均有一定的固溶度，并且此固溶度會(huì)隨著溫度的降低而急速減小，在溫度降低的過(guò)程中，鎂基體中的過(guò)飽和的稀土原子會(huì)以析出相的形式從鎂基體中析出，所以稀土鎂合金具有非常好的時(shí)效硬化效應(yīng)。

3、在稀土元素中，y和gd是在鎂合金中最常使用，也是對(duì)鎂合金強(qiáng)化最有效的兩種稀土元素。在高溫下，鎂基固溶體中y元素的固溶度很高，并且隨著溫度的下降，此固溶度會(huì)急速下降。當(dāng)溫度下降到200℃左右時(shí)，鎂基體中過(guò)飽和的y元素會(huì)以第二相的形式析出，并在α-mg基體的內(nèi)部和晶界處彌散分布，阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而使合金的高溫和常溫力學(xué)性能得到很大的改善。在高溫下，鎂基固溶體中g(shù)d元素的固溶度也很高，當(dāng)溫度增至548℃時(shí)，gd在mg基體中的固溶度達(dá)到最大值23.5wt.％，這是其他元素很難達(dá)到的值，比y的固溶度還要高，因此在時(shí)效硬化反應(yīng)上，mg-gd合金具有比mg-y合金更好的效果。同時(shí)，此gd易與mg生成化合物，起到細(xì)化晶粒和第二相強(qiáng)化的作用，從而提升力學(xué)性能，所以在鎂-釔-釹系稀土鎂合金中添加gd元素是提高其力學(xué)性能的一種有效方法。但是，如果重稀土元素gd的添加過(guò)多，就會(huì)使鎂合金的密度增加，比鋁合金和鋼鐵材料更輕的優(yōu)勢(shì)便不再具備，并且室溫延伸率會(huì)隨之變差，合金的成本也將大大提高，無(wú)法在工業(yè)應(yīng)用中被廣泛應(yīng)用。為了降低其密度與成本，并進(jìn)一步提高鎂合金性能，在mg-gd合金中，通常會(huì)添加一些比較輕，并且價(jià)格便宜的合金元素來(lái)降低gd的用量，比如nd、zr、ce等元素，這些元素的加入可以在較大的程度上提升mg-y-gd系鎂合金的高溫以及室溫力學(xué)性能。

4、近年來(lái)，在金屬凝固過(guò)程中施加脈沖磁場(chǎng)作為一種有效控制材料凝固組織和性能的方法得到快速發(fā)展。脈沖磁場(chǎng)處理具有無(wú)污染、操作方便、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的高度重視。脈沖磁場(chǎng)對(duì)合金凝固過(guò)程的一個(gè)主要作用是可以細(xì)化金屬凝固組織并提高其綜合力學(xué)性能。許多研究表明，脈沖磁場(chǎng)對(duì)純金屬、低熔點(diǎn)合金(鋁合金、銅合金、鎂合金等)、復(fù)合材料等都具有細(xì)化組織的作用。因此，關(guān)于制備本發(fā)明中的高強(qiáng)耐熱mg-y-nd系稀土鎂合金，脈沖磁場(chǎng)可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化的作用提高合金的力學(xué)性能，這對(duì)于其用于制備航空器的大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的推廣應(yīng)用具有重要意義。

5、此外，對(duì)于鑄造稀土鎂合金的熱處理，多需要采用固溶+時(shí)效熱處理工藝。固溶熱處理是指將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使第二相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝，適用于固溶度隨溫度變化較大的合金，其作用是為隨后的時(shí)效熱處理準(zhǔn)備最佳的條件。時(shí)效熱處理是在一定溫度下，合金中的過(guò)飽和固溶體發(fā)生分解形成第二相的過(guò)程，因此，對(duì)于不同加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率下的熱處理，合金中的相轉(zhuǎn)變規(guī)律不同，導(dǎo)致最終的力學(xué)性能也有較大差異。針對(duì)本發(fā)明提出的對(duì)mg-y-nb合金進(jìn)行g(shù)d和ce元素合金化的方法，有必要對(duì)這一新型稀土鎂合金的固溶時(shí)效熱處理進(jìn)行工藝優(yōu)化，使合金的析出相強(qiáng)化效應(yīng)得到有效的發(fā)揮，從而顯著提高力學(xué)性能。

6、綜上所述，采用合金化、脈沖磁場(chǎng)處理和熱處理的方法進(jìn)一步提升稀土鎂合金的力學(xué)性能，有助于促進(jìn)航空裝備的輕量化發(fā)展，可大幅度減少燃油消耗并增加航程，還可大幅提升直升機(jī)的操控性和靈活度，進(jìn)一步提升裝備戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益顯著！

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金的成分設(shè)計(jì)思路及在脈沖磁場(chǎng)處理下的重力鑄造成型方法。

2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、第一步：準(zhǔn)備原材料：按合金成分用切割機(jī)切取適量的純鎂、mg-30nd、mg-30y、mg-30gd、mg-30ce和mg-30zr中間合金，然后使用打磨機(jī)將其表面的氧化皮等雜質(zhì)除去，接著放置于180℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥。

4、第二步：處理坩堝：將304不銹鋼坩堝清理干凈后，在坩堝內(nèi)表面均勻涂抹4次耐火涂料(滑石粉：水：水玻璃＝3：2.5：2)，每次間隔30分鐘，防止坩堝和金屬發(fā)生反應(yīng)，保證金屬液的純度，最后將坩堝放入上述干燥箱中烘干。

5、第三步：熔煉：將處理后的不銹鋼坩堝置于電阻爐中加熱，同時(shí)將原材料按純mg、mg-30y、mg-30gd、mg-30nd、mg-30ce、mg-30zr中間合金的順序放入坩堝內(nèi)，熔化后需不斷攪拌，并保溫10min，使元素充分合金化，在溫度達(dá)750℃以上加入mg-30zr中間合金并攪拌3～5min，之后再保溫10min；

6、第四步為：澆注，澆注前先對(duì)熔體進(jìn)行攪拌扒渣，待其溫度冷卻到720℃時(shí)，將熔體澆注到預(yù)熱到200℃的石墨鑄型中。脈沖磁場(chǎng)處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要將石墨鑄型放置在線圈中進(jìn)行澆注，具體過(guò)程如下：將事先準(zhǔn)備好的磁場(chǎng)凝固裝置接好線圈，通電后增大磁場(chǎng)電壓感覺(jué)到線圈有明顯的震動(dòng)，說(shuō)明裝置正常，之后將電壓歸零。從爐子中拿出預(yù)熱好的石墨鑄型放置在磁場(chǎng)線圈中，待將金屬液澆入鑄型后立即啟動(dòng)磁場(chǎng)，在不同的磁場(chǎng)參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，脈沖電壓范圍100-400v，脈沖頻率范圍為1-10hz，待石墨鑄型中的金屬液凝固，關(guān)閉裝置，取出石墨鑄型，待鑄錠冷卻后拿出。整個(gè)熔煉、澆注過(guò)程在體積分?jǐn)?shù)為99.5％co2+0.5％sf6的混合氣體保護(hù)下進(jìn)行。在澆注過(guò)程中，由于合金熔體澆注溫度較高，為防止飛濺而發(fā)生事故，所以在澆注時(shí)應(yīng)采取以下措施對(duì)澆注過(guò)程進(jìn)行保護(hù)：①澆注時(shí)坩堝嘴盡可能地靠近鑄型，將熔液緩慢地澆入鑄型，避免熔液飛濺造成危險(xiǎn)而且澆注過(guò)程不可中斷、不可間斷澆注；②澆注過(guò)程中的工具都需要先預(yù)熱，然后刷上涂料，使用后立刻放入爐中繼續(xù)預(yù)熱、干燥，防止工具上的水分進(jìn)入熔液，造成溶液爆炸等危險(xiǎn)；③穿戴好實(shí)驗(yàn)服、防護(hù)面罩及手套。

7、第五步：將獲得的鑄件進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理，固溶處理溫度為480℃-520℃，處理時(shí)間為4～10h；時(shí)效處理溫度為180℃-250℃，時(shí)效處理時(shí)間為20～60h。

8、本發(fā)明的特點(diǎn)是：

9、1)本發(fā)明采用合金化和脈沖磁場(chǎng)下的凝固技術(shù)及熱處理的方式來(lái)制備一種高強(qiáng)度的耐熱稀土鎂合金航空用材料，該方法對(duì)合金力學(xué)性能的提高效果較為顯著。

10、2)本發(fā)明選擇gd和ce作為合金化元素，加入溫度為700～730℃，這兩種元素能起到顯著的第二相強(qiáng)化效果；并且在750℃以上加入mg-30zr中間合金，能使zr充分的熔入鎂液，作為變質(zhì)劑細(xì)化合金晶粒，以改善合金的組織，提升其強(qiáng)度和塑性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的合金成分為(質(zhì)量百分比)：y：3～5％、nd：2.5～3.5％、gd：1～2.5％、ce：0.5～1％、zr：0.4～0.6％，其余為mg。

11、3)本發(fā)明的材料成型方法是采用脈沖磁場(chǎng)下的鑄造成型技術(shù)，脈沖磁場(chǎng)處理具有無(wú)污染、操作方便、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，可以細(xì)化金屬凝固組織并顯著提高合金的綜合力學(xué)性能。

12、4)本發(fā)明的經(jīng)優(yōu)化后的脈沖磁場(chǎng)處理參數(shù)為：電壓范圍300～400v，脈沖頻率范圍：2.5-5hz。

13、5)本發(fā)明經(jīng)優(yōu)化后的熱處理工藝參數(shù)為：固溶處理溫度為490℃-510℃，處理時(shí)間為4-10h；時(shí)效處理溫度分別為200℃-230℃，時(shí)效處理時(shí)間為20～60h。