一种含Ho耐热镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种镁合金及其制备方法，尤其涉及一种含ho耐热镁合金及其制备方法，属于镁合金及其制造领域。

背景技术：

镁合金作为新型的超轻结构材料，是二十一世纪最具发展潜力的金属材料之一。它具有高的比强度、比刚度，良好的热传导性与减震性，同时其机械加工性能良好，生产的零件尺寸稳定，因此在航空航天、汽车等现代工业中有着广泛的应用背景。尤其是航空航天及汽车上的一些部件，如：变速箱箱体、发动机箱盖等，工作温度较高，并且也存在着轻量化的需求。镁及镁合金虽然有较多的优良性能，但镁合金的耐高温性差、强度低，严重限制了镁合金上述工业的应用，具有优良耐热性能的镁合金是急需的重要工业材料。

我国有着丰富的稀土资源，如何合理地开发利用稀土资源对国家的国防工业、航空航天、交通运输等领域具有重大意义。大多数稀土元素与镁原子的尺寸半径相差不大，因此在镁中有着较大的固溶度，在镁合金中添加适量的稀土元素，能起到良好的固溶强化作用；稀土的加入还能够有效改善合金组织及其微观结构，提高合金的室温与高温力学性能，增强镁合金的耐腐蚀性能；同时加入稀土元素还能够在镁合金中析出稳定的弥散相粒子，有很好的沉淀强化作用。2001年，科学家在实验室制备出具有长周期堆垛结构相(long-periodstackingordered，lpso)的mgyzn合金，该合金表现出了极高的室温力学性能，并表现出优良的耐热性能，成为发展高性能耐热镁合金的重要方向。

目前，关于稀土对镁合金性能影响的研究，主要着眼于稀土元素铈、钕、钇等，而对于稀土元素ho在镁合金中应用的研究尚少。利用ho元素调控镁合金中的基体相成分同时调控lpso相结构更是未见报道。如专利201110267052.1、201210399131.2等研究了包括ho在内的稀土元素对于镁合金力学性能的影响，但均没有涉及ho对于镁合金基体相成分和lpso相的调控，也没有对ho元素对镁合金的耐热性能的影响进行深入研究。深入地研究稀土元素ho对于镁合金的影响，有利于开发新型的高强、高塑性、耐热稀土镁合金，能够扩展镁合金的合金体系，促进镁合金在工业生产中的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种轻质量、常温和高温环境下的高强度和高塑形的含ho耐热镁合金及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种含ho耐热镁合金，按照质量百分比含量含有：ho：1.0-12.0％、y：1.0-5.0％、zn：1.0-4.0％，其余为mg和杂质。

一种含ho耐热镁合金的制备方法，按照质量百分比ho：1.0-12.0％、y：1.0-5.0％、zn：1.0-4.0％，其余为mg准备原料，之后在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇铸合金锭或铸件。

本发明还包括这样一些特征：

1.还包括均匀化处理；

2.还包括变形；

3.还包括轧后时效处理；

4.所述均匀化处理温度为300-550℃，均匀化处理时间为0.5-10h；

5.所述变形温度为250℃-400℃，总变形率20-90％，变形完成后加热至300-520℃，保温5-20min，淬火快速冷却；

6.所述轧后时效处理的温度为150℃-300℃，时效时间为0.1-200h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与现有mgyzn系合金相比，本发明在mgyzn系合金基础上加入稀土元素ho，使合金的高温力学性能获得显著提升，其原因包括以下几点。首先，ho原子的加入能够引发动态应变时效，即在高温条件下ho原子向位错附近扩散，降低位错能量，这起到阻碍位错滑移的作用，提高合金高温性能。其次，加入ho元素可以调节长周期有序结构相的含量及其在镁合金中的分布，这种析出相可以阻止晶界在高温条件下的滑移和基面位错滑移，提高了合金的高温稳定性和强度。再次，ho与镁有相近的原子半径，在mg基体中加入ho能够起到很好的固溶强化效果。此外，ho的加入也能够有效调整合金中颗粒状如mg3y(ho)2zn3相和mg24y(ho)5相的含量及其分布，这些第二相均具有阻碍位错滑移的作用，因此ho的加入能够有效调控合金力学性能。终上所述，加入ho元素并经过相应的热处理/变形工艺能够进一步提高mg-稀土-zn系合金的力学性能，尤其是其高温力学性能，是发展lpso强化耐热镁合金研究，获得高性能镁合金的重要方向。

附图说明

图1是实施例1所制备的铸造态稀土镁合金高温力学性能；

图2是实施例2所制备的稀土镁合金轧制板材显微组织；

图3是实施例3所制备的稀土镁合金轧制板材显微组织；

图4是实施例4所制备的稀土镁合金轧制板材显微组织。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提出将ho元素加入镁合金替代mgyzn系合金中部分y元素，有效调控合金基体相中固溶原子含量，同时调整lpso相组成，起到调控镁合金力学性能的作用。

本发明在mgyzn系镁合金中加入ho，通过优化成分配比，均匀化工艺、轧制工艺的选择，实现对合金中不同相的含量、尺寸和分布进行有效控制，并通过控制镁合金基体中的合金成分和金属间化合物在合金中的析出，调控合金的强度和塑形，满足不同实际条件的应用。本发明的含ho耐热镁合金兼具轻质量、常温和高温环境下的高强度和高塑形等特性，能够满足航空航天、汽车、电子等行业耐热部位构件性能要求。

本发明提供一种具有优异强度、塑性的含ho耐热镁合金。其化学成分为(质量百分比)：ho1.0-12.0％、y1.0-5.0％、zn1.0-4.0％，其余为mg和不可避免的杂质。

上述含ho耐热镁合金的制备方法，包括如下步骤：a.熔炼，b.均匀化处理，c.变形，d.轧后时效处理。其中步骤b,c和d为非必要步骤。

a.熔炼：按照质量百分比组成为:ho1.0-12.0％、y1.0-5.0％、zn1.0-4.0％，其余为mg和不可避免的杂质，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后浇铸合金锭或直接浇铸成铸件。

b.均匀化：将上述合金铸锭在300-550℃下均匀化退火0.5-10h。

c.变形：变形温度范围为250℃-400℃，总变形率20-90％，可进行多次变形，在完成最后一道次后加热至300-520℃，保温5-20min，淬火快速冷却。

d.时效处理：温度范围为150℃-300℃，时效时间范围为0.1-200h。

实施例1

本实施例中的稀土镁合金化学成分，按质量百分比为：3.2％ho、2.6％y、2.2％zn，其余为mg和不可避免的杂质。将纯镁锭、纯zn以及mg-ho、mg-y中间合金依次置于坩埚中，随后将熔炼炉抽真空至10^-1pa，并通入氩气使炉内气压达0.05mpa；熔炼时，逐步提高炉内温度，待合金熔体升温至770℃，保温15min，在730℃下浇铸成合金铸锭。其高温力学性能经测试：200℃抗拉强度为176mpa，屈服强度为80mpa，延伸率为20％。

实施例2

本实施例中的稀土镁合金化学成分，按质量百分比为：1.3％ho、2.8％y、1.3％zn，其余为mg和不可避免的杂质。将纯镁锭、纯zn以及mg-ho、mg-y中间合金依次置于坩埚中，随后将熔炼炉抽真空至10^-1pa，并通入氩气使炉内气压达0.05mpa；熔炼时，逐步提高炉内温度，待合金熔体升温至770℃，保温15min，在730℃下浇铸成合金铸锭。然后将上述合金铸锭在500℃下均匀化退火30min，为防止氧化，热处理过程试样用铝箔包裹放入盛有mgo粉的坩埚中进行；随后进行多道次轧制，轧制温度为500℃，第一道次变形量控制在5％，之后每道次变形量为10-12％，轧制道次间需进行5min的回炉保温，最终变形量为30％并在轧完最后一道次后放入25℃水中快速冷却。本实施例中的稀土镁合金，经测试，其室温力学性能为抗拉强度为242.3mpa，屈服强度为148.4mpa，延伸率为24.7％。200℃抗拉强度为173.5mpa，屈服强度为91.2mpa，延伸率为13.6％。

实施例3

本实施例中的稀土镁合金化学成分，按质量百分比为：3.2％ho、2.6％y、2.2％zn，其余为mg和不可避免的杂质。将纯镁锭、纯zn以及mg-ho、mg-y中间合金依次置于坩埚中，随后将熔炼炉抽真空至10^-1pa，并通入氩气使炉内气压达0.05mpa；熔炼时，逐步提高炉内温度，待合金熔体升温至770℃，保温15min，在730℃下浇铸成合金铸锭。然后将上述合金铸锭在500℃下均匀化退火30min，为防止氧化，热处理过程试样用铝箔包裹放入盛有mgo粉的坩埚中进行；随后进行多道次轧制，轧制温度为500℃，第一道次变形量控制在5％，之后每道次变形量为10～15％，轧制道次间需进行5min的回炉保温，最终变形量为30％。并在轧完最后一道次后放入25℃水中快速冷却。本实施例中的稀土镁合金，其室温力学性能经测试：抗拉强度为260.8mpa，屈服强度为160.3mpa，延伸率为22.4％。200℃抗拉强度为195.8mpa，屈服强度为126.1mpa，延伸率为17.5％

实施例4

本实施例中的稀土镁合金化学成分，按质量百分比为：5.7％ho、3.2％y、1.8％zn，其余为mg和不可避免的杂质。按照原材料的物理、化学性质，将纯镁锭、纯zn以及mg-ho、mg-y中间合金依次置于坩埚不同位中的置，随后将熔炼炉抽真空至10^-1pa，并通入氩气使炉内气压达0.05mpa；熔炼时，逐步提高炉内温度，待合金熔体升温至770℃，保温15min，在730℃下浇铸成合金铸锭。然后将上述合金铸锭在500℃下均匀化退火30min，为防止氧化，热处理过程试样用铝箔包裹放入盛有mgo粉的坩埚中进行；随后进行多道次轧制，轧制温度为500℃，第一道次变形量控制在5％，之后每道次变形量为10～15％，轧制道次间需进行5min的回炉保温，最终变形量为30％，并在轧完最后一道次后放入25℃水中快速冷却。本实施例中的稀土镁合金，经测试，室温力学性能为抗拉强度为230.1mpa，屈服强度为132.3mpa，延伸率为21.2％。200℃抗拉强度为225.4mpa，屈服强度为134.1mpa，延伸率为16.1％。

实施例5

本实施例中的稀土镁合金化学成分，按质量百分比为：3.16％ho、3.41％y、2.51％zn，其余为mg和不可避免的杂质。将纯镁锭、纯zn以及mg-ho、mg-y中间合金依次置于坩埚中，通入sf6：co2体积比为1：200的保护气体；熔炼时，逐步提高炉内温度，待合金熔体升温至750℃，保温15-20min，在730℃下浇铸成合金铸锭。然后将上诉合金铸锭在510℃下，固溶处理8小时，然后热水冷却，为防止氧化，热处理过程试样用铝箔包裹放入盛有mgo粉的坩埚中进行；随后进行多道次轧制，轧制温度为400℃，第一道次变形量控制在5％，之后每道次变形量为10-12％，轧制道次间需进行5min的回炉保温，最终变形量为50％并在轧完最后一道次后水冷。轧制之后，在200℃条件下进行时效处理，空冷却至室温。

综上所述：本发明公开了一种含ho耐热镁合金及其制备方法。成分为(质量百分比)ho：1.0-12.0％、y：1.0-5.0％、zn：1.0-4.0％，其余为mg和不可避免的杂质。其制备方法包括如下步骤：熔炼；均匀化；变形；时效处理。其制备方法为按照合金元素设计成分配料后，在真空或保护气氛条件下进行熔炼，然后铸造合金锭或直接浇铸成铸件，随后按照实际需求选择性进行均匀化、变形、时效处理。本发明在长周期有序结构增强mgyzn系镁合金力学性能的基础上，加入稀土元素ho，利用在高温条件下ho原子在mgyznho合金基体中能够引发动态应变时效的特点，通过设计元素含量和制备工艺，实现了动态应变时效与长周期有序结构增强相的结合。并通过均匀化、变形、时效处理控制ho在基体相中的含量、长周期有序结构增强相类型、形貌及分布，从而实现对于合金微观组织结构的控制，达到同时提高镁合金的高温强度和塑形的目的。