一种稀土镁合金及其时效热处理方法与应用与流程

本发明涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种稀土镁合金及其时效热处理方法与应用。

背景技术：

镁合金是目前可应用的最轻的金属结构材料，具有比强度、比刚度高、导电导热性能良好、减震和电磁屏蔽性能优异等，已广泛应用于3c、交通运输和航空航天领域。纯镁本身由于强度低，不能直接作为结构材料应用，通过合金化可改善镁合金的力学性能。随着对结构轻量化的发展，要求稀土镁合金的强度越来越高。

目前，稀土镁合金的时效处理时间长，且所得的合金强度较低。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的之一包括提供一种稀土镁合金的时效热处理方法，可在缩短时效时间的同时获得高强度的稀土镁合金。

本发明的目的之二包括提供由包括上述时效热处理方法的制备方法制备而得稀土镁合金，其具有尺寸小且密度高的析出相，屈服强度高。

本发明的目的之三包括提供上述稀土镁合金的应用，例如可用于加工3c产品、交通运输产品或航空航天产品。

本申请是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种稀土镁合金的时效热处理方法，包括以下步骤：在时效热处理前进行预变形处理以通过产生孪晶强化并增强沉淀强化提高稀土镁合金的强度。

在可选的实施方式中，预变形的变形应变速率为10^-2-10s^-1。

在可选的实施方式中，预变形的总变形量为5-15％。

在可选的实施方式中，预变形采用空气锤锻造方式进行。

在可选的实施方式中，预变形包括拉伸变形或压缩变形。

在可选的实施方式中，预变形在15-35℃的条件下进行。

在可选的实施方式中，时效热处理是于200-300℃的条件下进行2-35h。

在可选的实施方式中，预变形之前，还包括对待处理的稀土镁合金进行固溶处理和淬火处理。

在可选的实施方式中，固溶处理是于500-570℃的条件下保温4-10h。

在可选的实施方式中，淬火处理的温度为60-80℃。

在可选的实施方式中，淬火处理采用水淬方式进行。

第二方面，本申请还提供一种稀土镁合金，该稀土镁合金由包括上述时效热处理方法的制备方法制备而得。

在可选的实施方式中，稀土镁合金的屈服强度为226-270mpa。

在可选的实施方式中，稀土镁合金为含有稀土元素的二元或多元沉淀析出强化型镁合金。

在可选的实施方式中，稀土元素包括ce、nd、y和gd中的至少一种。

在可选的实施方式中，稀土镁合金为mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金。

第三方面，本申请还提供一种上述稀土镁合金的应用，例如可用于加工3c产品、交通运输产品或航空航天产品。

本申请的有益效果包括：

本申请在稀土镁合金进行时效热处理前先进行预变形处理，使稀土镁合金在预变形时生成变形孪晶和位错缺陷，进而有利于后续的时效热处理过程中一方面稀土溶质原子扩散至孪晶界面，形成溶质偏聚甚至生成细小的强化相以产生孪晶强化，另一方面位错缺陷作为强化相的异质形核质点，使强化相尺寸细化和密度增加以增强沉淀强化，从而可缩短时效热处理时间，并能使最终制得的稀土镁合金相比于传统时效热处理工艺所得的稀土镁合金的强度有所提高。所得的稀土镁合金可用于加工3c产品、交通运输产品或航空航天等产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的固溶态组织；

图2为实施例1中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的预变形组织；

图3为实施例1中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的预变形时效态组织；

图4为对比例1中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的时效态组织；

图5为实施例2中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的预变形时效态组织；

图6为对比例2中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的时效态组织；

图7为实施例3中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的预变形时效态组织；

图8为对比例3中mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的时效态组织。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的稀土镁合金及其时效热处理方法进行具体说明。

稀土镁合金具有沉淀强化效果，通过时效热处理可以生成细小弥散分布的强化第二相。但现有的稀土镁合金强度有待进一步提高，提高合金强度的方法可包括提高合金的沉淀强化效果和/或增加新的强化方法如细化晶粒。发明人通过研究得出：在时效热处理之前，对合金先进行预变形处理生成大量位错，为后续时效热处理过程中析出相的生成提供异质形核质点，从而有效调控析出相特征(例如包括析出相类型、尺寸大小、密度和分布等)以大幅提高合金的沉淀强化效果为进一步加强合金的沉淀强化效果。同时，时效热处理过程中稀土溶质原子扩散至孪晶界面，形成溶质偏聚甚至细小的第二相以有效阻碍位错运动，使合金强化。

本申请提出一种稀土镁合金的时效热处理方法，包括以下步骤：在时效热处理(峰值时效处理)前进行预变形处理以通过产生孪晶强化并增强沉淀强化提高稀土镁合金的强度。也即利用预变形工艺通过协同调控变形孪晶和强化相，提高传统时效热处理的沉淀强化效果和新增孪晶强化，从而显著提高稀土镁合金的强度，以扩展其应用。

在本申请中，预变形的变形应变速率为10^-2-10s^-1，例如10^-2s^-1、1s^-1或10s^-1等。值得说明的是，此处应变速率的单位s^-1为无量纲单位，具体可根据实际处理的稀土镁合金的长度，可对应为mm/s、cm/s或m/s等。

发明人发现，变形应变速率对变形孪晶和强化相的协同调控具有重要影响，本申请中将应变速率控制在10^-2-10s^-1，可避免在应变速率低(低于10^-2s^-1)时孪晶容易生长(即孪晶趋于长大)，导致孪晶数量少、密度低；同时可避免在应变速率高(超过10s^-1)时容易造成应力增加或应力集中，导致镁合金变形甚至开裂。

在本申请中，预变形的总变形量为5-15％，如5％、8％、10％、12％或15％等。本申请中将预变形的总变形量控制在上述范围，可避免低于5％时合金中孪晶数量生成少，高于15％时损耗合金塑性或导致开裂。

值得说明的是，镁合金具有密排六方晶体结构，室温预变形时容易生成大量变形孪晶，主要为拉伸孪晶，然而生成的孪晶晶界主要为共格界面，对位错阻碍作用效果低，因而对合金的强化效果弱。本申请通过同时控制稀土镁合金预变形过程中的应变速率以及总变形量，使其在预变形阶段生成变形孪晶和位错缺陷，以利于后续时效热处理过程进一步地的强化作用。

在可选的实施方式中，预变形可采用空气锤锻造方式在室温条件下进行。预变形可包括拉伸变形或压缩变形。

在可选的实施方式中，预变形可在室温(如15-35℃)条件下进行。该温度下镁合金变形容易生成变形孪晶和位错缺陷。

在本申请中，时效热处理是于200-300℃(如200℃、220℃、250℃、280℃或300℃等)的条件下进行2-35h(如2h、5h、8h、10h、15h、20h、25h或30h等)。

通过按本申请的预变形条件先进行预变形生成变形孪晶和位错缺陷，随后再按上述时效热处理温度进行时效热处理，可在时效热处理过程中一方面稀土溶质原子扩散至孪晶界面，形成溶质偏聚甚至生成细小的强化相以产生孪晶强化，另一方面位错缺陷作为强化相的异质形核质点，使强化相尺寸细化和密度增加以增强沉淀强化，从而使稀土镁合金强度相比于传统时效热处理工艺进一步显著提高。同时，可较传统的镁合金生产工艺缩短时效热处理时间，例如可从传统的42h缩短至2-35h小时。

进一步地，预变形之前，还可包括对待处理的稀土镁合金进行固溶处理和淬火处理。固溶处理的作用主要包括提高溶质原子的固溶度，淬火处理的作用主要包括降低溶质原子的析出。

在可选的实施方式中，固溶处理可以于500-570℃(如500℃、550℃或570℃等)的条件下保温4-10h(如4h、5h、8h或10h等)。值得说明的是，固溶处理的温度过低或处理时间过短，容易导致溶质原子的固溶度降低；固溶处理的温度过高或处理时间过长容易导致过烧或晶粒过度粗化。

在可选的实施方式中，淬火处理的温度可以为60-80℃(如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等)。较佳地，本申请中淬火处理采用水淬的方式，也即用水作为淬火剂进行淬火，该方式较其它淬火方式一方面有利于保持固溶原子的固溶度，另一方面有利于降低淬火引起的热应力过大。

值得说明的是，淬火处理的温度过低容易导致热应力过大，使合金开裂；温度过高容易导致固溶原子的析出，使固溶度降低。

承上，通过本申请提供的方法制备稀土镁合金，可获得较现有技术得到的稀土镁合金具有更强的屈服强度，同时，时效时间得以有效缩短。

此外，本申请还提供一种稀土镁合金，其由包括上述时效热处理方法的制备方法制备而得。值得说明的是，有关该稀土镁合金的制备方法中的其它工艺步骤可参照现有技术，在此不做赘述。

在可选的实施方式中，本申请提供的稀土镁合金的屈服强度为226-270mpa，如226mpa、241mpa或270mpa等。

在可选的实施方式中，稀土镁合金为含有稀土元素的二元或多元沉淀析出强化型镁合金。其中，稀土元素可以但不仅限于包括ce、nd、y和gd中的至少一种。

在具体的实施方式中，稀土镁合金可以为mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金。通过采用本申请提供的方法制备mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金，其强度可较现有技术提高8.5-34％，较优的可提高25-34％，并使时效热处理时间从48h缩短至2-35h。

此外，本申请还提供一种上述稀土镁合金的应用，例如可用于加工3c产品、交通运输产品或航空航天产品等。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的是mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金，其通过协同调控变形孪晶和强化相以提高稀土镁合金强度的时效热处理工艺如下：

步骤1：对稀土镁合金立方块试样在525℃固溶处理8h后采用80℃温水淬火；

步骤2：对温水淬火处理后的合金立方块试样在室温下进行空气锤锻造，立方块试样单方向应变量为5％，对三个方向均进行一次锻造，总变形量为15％；

步骤3：将预变形合金在200℃进行峰值时效热处理(32h)后空冷至室温。

对所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金进行组织结构观察，图1所示为mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的固溶态组织图，图2为预变形组织图，图3为预变形时效态合金组织图。图2观察到大量变形孪晶，图3观察到析出相于位错处析出。

按国家标准gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的方法对所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度为270mpa。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于时效热处理前未进行预变形处理。

图4为本对比例1的预变形时效态合金组织图。对比图3和图4的时效态合金组织可以看出经过预变形处理的析出相尺寸更细小，密度更高。

按照与实施例1相同的测试方法对本对比例所得的稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度202mpa。

由此可以看出，经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金较未经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度增幅达68mpa，增加百分比约为34％。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：

步骤3：将预变形合金在250℃进行峰值时效热处理(2h)后空冷至室温。

图5为本实施例对应的稀土镁合金预变形时效态合金组织，观察到孪晶界处析出相。

按照与实施例1相同的测试方法对本对比例所得的稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度241mpa。

对比例2

本对比例与实施例2的区别仅在于时效热处理前未进行预变形处理。

图6为本对比例2的预变形时效态合金组织图。对比图5和图6的时效态合金组织可以看出经过预变形处理的析出相尺寸更细小，密度更高。

按照与实施例2相同的测试方法对本对比例所得的稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度222mpa。

由此可以看出，经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金较未经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度增幅达19mpa，增加百分比约为8.5％。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于：

步骤3：将预变形合金在300℃进行峰值时效热处理(2h)后空冷至室温。

图7为本实施例对应的稀土镁合金预变形时效态合金组织，由该图可以看出析出相尺寸未显著粗化。

按照与实施例1相同的测试方法对本对比例所得的稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度226mpa。

对比例3

本对比例与实施例3的区别仅在于时效热处理前未进行预变形处理。

图8为本对比例3的预变形时效态合金组织图。对比图7和图8的时效态合金组织可以看出经过预变形处理的析出相尺寸更细小，密度更高。

按照与实施例3相同的测试方法对本对比例所得的稀土镁合金进行力学性能测试，其结果显示，该mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度172mpa。

由此可以看出，经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金较未经过预变形处理所得的mg-4y-2nd-1gd-0.6zr稀土镁合金的屈服强度增幅达54mpa，增加百分比约为31.4％。

综上所述，本申请在稀土镁合金进行时效热处理前先进行预变形处理，可使稀土镁合金在预变形时生成变形孪晶和位错缺陷，在时效热处理过程中一方面稀土溶质原子扩散至孪晶界面，形成溶质偏聚甚至生成细小的强化相以产生孪晶强化，另一方面位错缺陷作为强化相的异质形核质点，使强化相尺寸细化和密度增加以增强沉淀强化，从而可缩短时效热处理时间，并能使最终制得的稀土镁合金相比于传统时效热处理工艺所得的稀土镁合金的强度有所提高。所得的稀土镁合金可用于加工3c产品、交通运输产品或航空航天等产品。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。