一种超高强稀土镁合金及其高温单相区锻造成形工艺

本发明属于有色金属结构材料及其加工，具体涉及镁合金锻造技术和超高强镁合金的设计和制备加工方法。

背景技术：

1、镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚度，良好的切削加工性能、电磁屏蔽性能、阻尼减震性能，而且资源丰富、易回收，因此在航空航天、汽车、电子消费品、军工等领域应用前景广阔；但是，相比传统钢铁、铝、钛等合金，绝对强度低严重阻碍了镁合金的广泛应用，尤其是在航空航天、军工等高技术领域。

2、目前，针对镁合金强度低的技术难题，主要的解决措施有：(1)优化合金成分设计，(2)采用塑性加工技术。大量的研究已经证明稀土镁合金是目前最具开发潜力的超高强镁合金体系，如we43/54和mg-gd-y(-zn)-zr(gw)系镁合金；此外，目前主要的塑性加工技术包括挤压、轧制和锻造，可用于生产镁型材、棒材、板带材等。

3、由于镁合金在锻造过程中，特别是在自由锻或开式模锻过程中，在冲击载荷的作用下，镁坯料的自由表面很容易发生开裂，导致锻造镁合金的成品率很低；其次，由于镁合金的塑性变形能力差，其锻造加工通常在高温进行，导致锻造加工很难获得细晶组织；另一方面，虽然大量的稀土元素如gd、y、nd等复合添加能够显著增加合金的强度，但同时也增加了合金的变形抗力，导致较窄的加工温度窗口，这也成为制约高性能稀土镁合金锻件发展的技术瓶颈。

4、截止目前，尚无屈服强度≥450mpa的大尺寸、高性能稀土镁合金锻件制备技术的报道。

5、本发明针对我国航空航天等高技术领域对于超高强、大尺寸镁锻件的迫切需求，摈弃传统多元稀土复合强化设计高性能镁合金的方法，首次提出利用高固溶度的gd元素设计时效强化型mg-13gd二元合金，结合高温单相区锻造成形工艺，实现镁锻件的“控形控性”，制备出大规格、超高强镁锻件。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种利用高固溶度的gd元素设计时效强化型mg-13gd二元合金，并结合高温单相区锻造成形工艺，实现高强镁锻件的“控形控性”，对进一步推动大尺寸高强镁锻件在我国航空航天等高技术领域的应用具有重要意义。

2、为实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案如下。

3、一种超高强稀土镁合金的质量百分比成分为gd12.8～13.4％、fe≤0.05％，cu≤0.05％，si≤0.05％，ni≤0.005％，余量为mg。

4、一种超高强稀土镁合金的高温单相区锻造成形工艺，其步骤如下：

5、(a)、半连续铸造技术制备大尺寸高品质铸锭：铸造温度是720～740℃，铸造速度是40～50mm/min，冷却水压是0.02～0.03mpa。

6、(b)、高温、长时间固溶处理：固溶温度520～530℃，时间20～30小时，固溶完毕后缓慢浸入80～100℃热水中进行淬火。

7、(c)、采用落锤式锻造机对锻坯进行小变形量的墩粗，墩粗压下量约5～8％；然后沿径向进行拔长锻造，以圆柱锻坯的两个互相垂直的径向作为等效锻造方向，锻坯轴向为拔长方向。上下砧板预热至250-300℃，锻锤冲击频率约为60～100次/分钟，平均应变速率约为13～15s-1，锻前道次间退火时间约30～40分钟；500℃锻造第1或2道次的锻造比保持在1.17～2.64之间，道次间退火温度为500℃，但500℃终锻完的退火温度为450℃；然后在450℃锻造1道次，锻造比约为2.25～2.65，450℃终锻后冷水淬火。

8、(d)、等温时效处理：在200℃进行等温时效处理，保温时间为40～45小时。

9、进一步的改进，在步骤(c)中的道次间退火温度对应下一道次的锻造温度。

10、上述技术方案的进一步优化与改进，在步骤(c)中，首先在500℃锻造第1道次，锻造比约为1.18，锻后在450℃退火处理40min；然后在450℃锻造第2道次，锻造比约为2.64，锻后冷水淬火。

11、上述技术方案的进一步优化与改进，

12、在步骤(c)中，锻坯在500℃保温40min，然后在500℃锻造2道次，第一道次锻造比为1.18，第2道次锻造比为2.64，道次间退火温度为450℃，道次间退火时间均为40min，450℃终锻后冷水淬火

13、在200℃进行等温时效处理，保温时间为40小时；

14、其锻件拔长方向的屈服强度≥458mpa、抗拉强度≥493mpa、延伸率≥3.5％。

15、本发明与现有技术相比，取得的进一步以及优越性在于：

16、本发明的超高强稀土镁合金，以高固溶度的重稀土gd作为唯一的合金化元素，高温固溶后能够形成准单相固溶体组织，有益于高温锻造成形；同时因为gd能够降低镁合金的层错能，促进非基面滑移，提升其塑性。所采用的高温单相区锻造成型工艺在锻造过程中有效抑制了粗大mg5gd相的动态析出，同时高温锻造使得gd溶质均匀扩散，避免了溶质偏聚，从而促进基面织构的形成。因此，锻造合金的组织是一种近单相固溶体组织，类似于铸态固溶合金。但又不同于铸态固溶合金的是，锻造合金的组织还具有强基面织构。所以，锻造组织中过饱和的gd溶质为后续最大化的沉淀析出提供了良好的组织条件。时效处理之后，高密度的柱面析出相弥散分布在镁基体中，可有效阻碍位错滑移和机械孪生，从而贡献于超高强度。

17、测试结果表明：利用本发明的高温单相区锻造成型工艺制备的超高强mg-13gd锻造合金的力学性能是：屈服强度为426～458mpa，抗拉强度431～493mpa，延伸率0.93～3.5％。

技术特征：

1.一种超高强稀土镁合金其特征在于，其质量百分比成分为gd12.8～13.4％、fe≤0.05％，cu≤0.05％，si≤0.05％，ni≤0.005％，余量为mg。

2.权利要求1所述的超高强稀土镁合金的高温单相区锻造成形工艺，其步骤如下：

3.根据权利要求2所述的一种超高强稀土镁合金的高温单相区锻造成形工艺，在步骤(c)中的道次间退火温度对应下一道次的锻造温度。

4.根据权利要求2所述的一种超高强稀土镁合金的高温单相区锻造成形工艺，首先在500℃锻造第1道次，锻造比约为1.18，锻后在450℃退火处理40min；然后在450℃锻造第2道次，锻造比约为2.64，锻后冷水淬火。

5.根据权利要求2所述的一种超高强稀土镁合金的高温单相区锻造成形工艺，在步骤(c)中，锻坯在500℃保温40min，然后在500℃锻造2道次，第一道次锻造比为1.18，第2道次锻造比为2.64，道次间退火温度为450℃，道次间退火时间均为40min，450℃终锻后冷水淬火

技术总结
本发明公开了一种超高强稀土镁合金及其高温单相区锻造成形工艺，涉及有色金属材料及其加工技术领域，其质量百分数成分为：Gd 12.8～13.4wt.％、Fe≤0.05％，Cu≤0.05％，Si≤0.05％，Ni≤0.005％，余量为Mg；单相区高温锻造在500～450℃区间内进行变温锻造，500℃锻造比约为1.18，锻后在450℃退火处理40min；450℃锻造比约为2.64，终锻后冷水淬火；本发明充分利用Gd在镁中高固溶度和强沉淀硬化的特性，通过高温单相锻造加工，避免了粗大动态析出相的形成，改善了合金的锻造成形性能，结合后续等温时效处理，成功制备出大尺寸、超高强镁锻件，对于推动镁锻件在航空航天、国防军工等高技术领域的应用具有重要意义。

技术研发人员：潘虎成,张栋栋,曾志浩,唐伟能,莫宁,秦高梧
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13