本发明属于镁合金，涉及一种高刚度高塑性镁合金，具体地说，涉及一种高刚度高塑性镁合金及其大型复杂构件的成形方法。
背景技术：
1、镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为1.7g/cm3，还具有比强度和比刚度高、阻尼减振性好、电磁屏蔽性能优良等特点。而且，新开发的铸造镁稀土合金的抗拉强度最高已超过400mpa，变形镁稀土合金的抗拉强度最高已超过500mpa。因此，轻质高强的镁合金在“克克计较”的航空航天领域展现出极大的应用潜力。
2、尽管如此，镁合金的弹性模量大多为40～45gpa，仅为铝合金(70gpa以上)的2/3、钛合金(110gpa以上)的2/5、钢(200gpa以上)的1/4，造成镁合金部件的刚度通常较低。因此镁合金部件在大载荷条件下极易发生弹性变形，不仅严重降低了设备的工作精度，还影响了构件服役的可靠性。很显然，随着未来武器服役环境不断向高超声速、高压、高速粒子冲刷等极端条件发展，较低的弹性模量已逐渐成为制约镁合金在高端产品上应用的技术瓶颈。因此，开发高弹性模量的镁合金意义重大。
3、合金化和复合化是提高镁合金弹性模量的两个主要的方法。合金化是指向镁中引入合金元素，从而使镁基体的晶格常数发生变化，增强原子之间的结合力以提升模量的一种方法。复合化是指通过外加或者原位自生的方法向镁合金中引入增强相，在基体受到外力时，载荷会通过基体/增强相之间的冶金结合界面传递到高模量增强相上，造成弹性变形受阻，因而合金模量被提高。文献simultaneously improving elastic modulus anddamping capacity of extruded mg-gd-y-zn-mn alloy via alloying with si(通过si合金化同时提高挤压态mg-gd-y-zn-mn合金的弹性模量和阻尼性能)(《journal of alloysand compounds》，2019年，第810卷，文献号151857)中记载了通过向镁合金中添加质量分数0.8％的si引入高模量的gd5si3和siy增强相，合金的弹性模量提高到了49.3gpa。除了引入高模量的含si相以外，文献development of a novel mg-y-zn-al-li alloy with highelastic modulus and damping capacity(高弹性模量和高阻尼性能的mg-y-zn-al-li合金开发)(《materials science and engineering:a》，2020年，第790卷，文献号139744)中报道了通过添加al在镁合金中形成高模量的al2re相，合金的弹性模量达到52.9gpa。从上述研究表明，采用si或al合金化向镁稀土合金中引入高模量第二相均是提升镁合金构件刚度的有效方法。
4、然而，现有的镁稀土合金中si或al的添加量均较低，因而所引入的高模量第二相的含量较低，刚度提升有限：目前所开发的镁合金的弹性模量大多不超过55gpa。其主要原因在于现有高模量镁合金主要是通过铸造的方法成形的，而高模量增强相颗粒易于在合金熔体中团聚，不仅严重恶化合金的塑性，还会影响合金的流动性，降低合金的铸造工艺性能，因此高模量颗粒的含量不宜过高。简言之，高模量镁合金的弹性模量和塑韧性之间以及弹性模量和工艺性能之间是相互制约甚至是相互矛盾的。如中国发明专利cn202210533327.x(一种含金属硅化物的高刚度镁合金及其制备方法)所制备的mg-10wt％gd-8wt％y-2wt％si-1wt％zn合金的刚度达到53gpa，然而其延伸率仅为2.5％。又如文献effects of si addition on microstructure and mechanical properties of mg-8gd-4y-nd-zr alloy(si对mg-8gd-4y-nd-zr合金显微组织和力学性能的影响)(《materials&design》，2013年，第43卷，页码74-79)中记载了随着si元素含量的提高，合金弹性模量提高，但是合金的流动性显著降低，不利于合金成形。中国发明专利cn202210212489.3(一种高模量镁合金及其制备方法)公布了一种由稀土、al、si等元素合金化制备高刚度镁合金的方法，但是该方法也是采用常规的熔融铸造工艺成型的，并未针对如何避免高模量第二相在铸造过程中团聚给出技术启示。
5、为了改善铸造成型的合金中高模量增强相颗粒分布的均匀性，大量研究通过挤压等工艺对铸锭进行塑性变形。高模量的增强相颗粒在压力的作用下发生破碎、分散，其分布均匀性得到改善。但是采用塑性变形的方法只能成形管、棒、线等型材，却难以成形大型复杂构件，因此这种方法无法满足航空航天等领域对大型复杂构件的实际应用需求。
6、综上所述，发明人认为，针对现有镁合金刚度提升有限、塑性不足，以及现有高模量镁合金难以成形大型复杂构件的问题，必须在提高镁合金中增强相颗粒含量的同时保证颗粒分散性，实现刚度和塑性的协同提升。因此，本发明旨在开发一种增强相颗粒含量更高的高刚度镁合金；同时，开发配套的高模量镁合金的新型成形工艺，该工艺既能够改善增强相颗粒在镁合金中分布均匀性，还能用于大型复杂构件的成形。开发这种高刚度高塑性镁合金及其大型复杂构件的成形方法对推广镁合金在高端领域的进一步应用具有重要的实际意义。
技术实现思路
1、为了提升镁合金构件的刚度，现有的镁合金主要是通过合金化或复合化的思路向合金中引入高模量的增强相颗粒。但是由于增强相颗粒易团聚而恶化合金塑韧性，导致增强相颗粒的含量必须控制在较低范围，因而现有镁合金的刚度提升非常有限。大塑性变形能够改善增强相颗粒分布的均匀性，但却无法成形大型复杂构件。因此，针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种高刚度高塑性镁合金及其大型复杂构件的成形方法，一方面通过开发新型的高刚度镁合金材料，从优化配方角度对镁合金的刚度、塑韧性以及成形工艺性能进行协同优化；另一方面创新性采用熔铸-镦挤-制丝(粉)-增材制造的工艺路线解决高刚度镁合金大型复杂构件的制备难题。
2、为了实现上述技术效果，本发明首先提出了一种“复合增刚”的思路，即通过复合添加re、al、si等元素，在镁合金中同时形成各类不同的高模量的增强相颗粒，如al2re颗粒、mg2si颗粒以及re-si相颗粒，复合提升合金的刚度。“复合增刚”能够避免单一高模量颗粒在熔铸过程中因溶质富集而易于粗化、降低合金塑韧性的问题。
3、其次，在合金配方方面，本发明中的re和al含量要远远高于现有镁合金，选用li作为高活性元素在熔铸时优先与大气中的氧发生反应，避免re、mg等活性元素的氧化损耗，保证合金中al2re增强相颗粒的高含量，大幅提升刚度。同时，li和mn合金化还能降低mg晶格的c/a比，提高基体的刚度、塑性。
4、此外，通过往复镦挤，在既不大幅改变铸坯尺寸的情况下，对铸坯中所形成的增强相颗粒进行破碎分散。更重要的是，通过往复镦挤在合金基体中形成“应变时效”效应，促进mg基体中纳米级的高模量增强相颗粒过饱和析出，在大幅增刚的基础上避免形成应力集中，保证基体的塑韧性。
5、最后，与传统的熔铸等成形工艺不同，本发明通过电弧增材工艺快速冷却条件下的非平衡凝固，抑制丝材或粉体中高模量颗粒在熔池凝固过程中的粗化，实现高增强相含量的镁合金大型复杂构件的成形，解决镁合金弹性模量-塑韧性-成形工艺性能之间的制约关系。本发明为高刚度高塑性镁合金及其大型复杂构件的成形提供了一种全新的思路。
6、具体来说是通过以下技术方案实现的：
7、本发明提供一种高刚度高塑性镁合金，包括如下重量百分数的各组分：
8、稀土元素re：10.0～25.0％、铝al：5.0-15.0％、锂li：0-10％、硅si：1.0-2.0％、锰mn：0-2.0％，其他单个杂质元素：≤0.1％，其他杂质元素合计：≤0.2％，余量为镁mg。
9、现有镁合金中高模量的增强相颗粒含量低，且增强相颗粒种类单一，颗粒易于在凝固过程中粗化，导致刚度提升效果不明显、塑性较低。而采用本发明配方制备的镁合金中高模量增强相颗粒含量大幅提高，且还能同时获得al2re、mg2si、si-re化合物、li过饱和的高模量mg基体，通过不同种类的高模量增强相颗粒和高模量基体，实现镁合金中的“复合增刚”效果，避免单一增强相颗粒因溶质富集、形成焓过低而导致在凝固过程中易于粗化、降低合金塑韧性的问题。
10、作为本发明的一个实施方案，所述稀土元素包括钆gd、钇y、钕nd、镱yb、钪sc元素中的两种及以上。
11、作为本发明的一个实施方案，所述al元素含量为re元素含量的0.3-0.7。
12、之所以对al与re元素含量之比进行严格限定，这是因为al与re元素的含量之比会直接影响al2re生成的数量和类型。当al与re元素含量之比太低，更易于形成共晶的al2re相，该相主要是以针状形貌为主，因此其强化效果并不如初生的颗粒状al2re。当al与re元素含量之比过高时，强化效果不足。
13、作为本发明的一个实施方案，所述高刚度高塑性镁合金的合金相中，具有al2re增强相颗粒、mg2si增强相颗粒、re-si增强相颗粒。
14、本发明还提供了一种高刚度高塑性镁合金大型复杂构件的成形方法，包括如下步骤：
15、s1、增材制造：按高刚度高塑性镁合金的各化学元素组成制备丝材或粉体，将制得的丝材或粉体进行增材制造，得增材制造构件；
16、s2、热等静压：对步骤s1制得的增材制造构件进行热等静压；
17、s3、热处理：将步骤s2制得的增材制造构件进行固溶处理和时效处理，最终获得高刚度高塑性镁合金大型复杂构件。
18、作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，所述增材制造具体为：对丝材进行电弧熔丝增材制造，对粉体进行粉末床熔化增材制造。
19、所述电弧熔丝增材制造包括单丝电弧熔丝增材制造或双丝电弧熔丝增材制造，优选为双丝电弧熔丝增材制造工艺。现有的镁合金电弧熔丝增材制造大多都是单丝的电弧熔丝增材，即直接采用与目标构件成分相同的丝材进行电弧增材制造。然而，高模量镁合金中的增强相颗粒含量高，塑性低，其连续、细小直径的丝材制备难度比低颗粒含量的镁合金丝材制备要难。为了解决这一矛盾，本发明创新性地提出了双丝电弧熔丝增材制备高模量镁合金的全新思路，即：除了镁合金丝材外，al合金化依靠单独的第二根纯铝丝或铝合金丝进行喂料，避免单丝电弧增材过程中由于al2re含量过高导致合金塑性恶化、丝材制备困难的问题。这样，al2re是在电弧增材制造过程中的熔池中生成的，而并非在挤丝之前的铸坯制备中预先形成的，这样就避免了高颗粒含量镁合金丝材制备的问题了。同时，由于纯al或al合金的塑性远远优于镁合金，因此双丝制备的工艺难度被大幅降低。
20、作为本发明的一个实施方案，双丝电弧熔丝增材制造工艺中，所得增材制造构件的合金成分范围满足高刚度高塑性镁合金的各化学元素组成，其中丝材一、丝材二的具体组成如下：
21、丝材一包括镁合金中全部的稀土元素re、锂li、锰mn、硅si、镁mg，部分铝al，丝材二包括剩余部分的铝al；
22、或，丝材一包括镁合金中全部的稀土元素re、锂li、锰mn、镁mg，部分铝al、部分硅si，丝材二包括剩余部分的铝al、硅si；
23、或，丝材一包括镁合金中全部的稀土元素re、锂li、锰mn、镁mg，部分铝al，丝材二包括剩余部分的铝al、全部的硅si。
24、即丝材一：mg-re-al(-li-si-mn)，丝材二：al(-si)，括号内的元素代表可以含有，也可以不含有。si会降低合金的塑性，影响制丝过程。因此，由于丝材一中已经含有不利于合金塑性的颗粒相al2re，因此丝材一中含si量不可太多。
25、双丝中的丝材一中al元素的重量百分比为0.5-2％。
26、丝材一与丝材二的直径比为1：1～3：1；送丝速度之比为1：1～9：1。通过控制双丝的直径和送丝速度，使得增材制造构件的合金成分范围满足高刚度高塑性镁合金的要求。
27、考虑到al2re颗粒对镁合金有显著的晶粒细化效果，添加少量al元素后的mg-re合金的塑性会得到改善。因此选用丝材一的合金系是mg-re-al(-li-si-mn)合金，其al含量为0.5-2.0％，这样既达到晶粒细化、提升塑韧性的效果，又避免生成过多的al2re颗粒反而带来的负面影响。丝材二是al(-si)合金，这是因为al-si合金的熔点较低、流动性好，这样有利于调控丝材二的工艺性能。
28、作为本发明的一个实施方案，所述丝材通过如下方法制备得到：
29、a1：浇筑锭坯：按丝材的各化学元素组成比例，配置原料进行熔炼和浇铸，得到锭坯；
30、a2：往复镦挤：对步骤a1制得的锭坯进行均匀化处理和往复镦挤；
31、a3：制丝或制粉：采用挤压、拉拔工艺对步骤a2制得的锭坯进行制丝，得丝材。
32、步骤a2中，丝材的均匀化处理的时间为10～30h，参数为450～550℃。往复镦挤的次数为2-20次。
33、作为本发明的一个实施方案，所述电弧增材制造工艺为gtaw电弧增材制造、gmaw电弧增材、paw电弧增材制造、cmt电弧增材制造中的任意一种。
34、作为本发明的一个实施方案，电弧增材时所用的电流为脉冲电弧，其脉冲频率为1-100hz。脉冲电流对熔池的振荡效果能够进一步分散高模量增强相颗粒，提高其分布的均匀程度，改善合金塑性。
35、作为本发明的一个实施方案，电弧增材的层间停留时间为10-200s。通过控制层间停留时间，避免电弧增材过程中的热累积导致增强相颗粒粗化，保证合金构件的塑韧性。
36、作为本发明的一个实施方案，粉末床熔化增材制造时，所用的合金粉末可以为单一粉末也可以为两种或多种粉末的混合体，使得电弧增材构件合金成分范围满足高刚度高塑性镁合金的各化学元素组成。制粉与制丝不同，制丝需要考虑合金的塑性，合金塑性太差就无法制丝，这也就是本发明为何采用双丝增材制造制备高al2re颗粒含量镁合金的主要原因。因制粉的过程与制丝完全不同，制粉无需考虑合金塑性，任何成分的合金基本都能够制粉，因此制粉与制丝不同。
37、作为本发明的一个实施方案，所述粉体通过如下方法制备得到：
38、t1：浇筑锭坯：按粉体的各化学元素组成比例，配置原料进行熔炼和浇铸，得到锭坯；
39、t2：往复镦挤：对步骤t1制得的锭坯进行均匀化处理和往复镦挤；
40、t3：制丝或制粉：采用雾化法对步骤t2制得的锭坯制粉，得粉材；
41、步骤t1中，均匀化处理的时间为10～30h，参数为450～550℃。往复镦挤的次数为2-20次。
42、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，热等静压参数为：温度450～550℃，压力为30～200mpa，时间为1～8h。
43、作为本发明的一个实施方案，步骤s3中，固溶处理温度为480～550℃，时间为1～10h；时效处理温度为200～250℃，时间为8～20h。
44、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
45、(1)本发明制备的镁合金中含有不同的高模量增强相颗粒和高模量的mg基体，实现了“复合增刚”效果，避免了单一高模量颗粒在熔铸过程中易于粗化而降低合金塑韧性的问题，所制备的镁合金弹性模量和塑韧性优良。
46、(2)本发明采用熔铸-镦挤-制丝(粉)-增材制造工艺成形高刚度镁合金大型复杂构件，同时在制丝的挤压、拉拔和增材制造过程中提高了高模量增强相颗粒的分布均匀性，改善了构件的塑韧性，可有效解决镁合金高模量与塑韧性、高模量与复杂构件成形之间相互制约的问题。
47、(3)本发明所提出的双丝电弧熔丝增材制备高模量镁合金的全新思路能够避免单丝电弧增材过程中由于al2re含量过高导致合金塑性恶化、丝材制备困难的问题，降低了高模量镁合金复杂构件的成形难度。