一种基于多尺度异质耐热结构的Mg-Gd-Y-Al-Mn基高耐热镁合金及其制造方法

本发明属于金属增材制造和铸造，具体涉及一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其制造方法。

背景技术：

1、镁合金具有重量轻、比强度高、减震性强、电磁屏蔽性好、易加工成型、可回收利用等优点，已成功应用于汽车交通、航空航天、通信电子、机械装备、建筑等领域，成为汽车交通、航空航天等领域重要的轻量化材料之一。

2、近年来，航空航天、汽车交通等重点领域一些高端耐热构件的设计服役温度不断提高，对≥250ºc高温力学性能提出了苛刻且迫切的需求，镁合金作为最轻的工程合金材料体系，是500℃以下高端耐热构件的优选轻量化材料，

3、但是镁合金在增材制造和铸造成形工艺中存在以下缺点：

4、1、镁合金在增材制造和铸造等成形工艺条件下会诱发缩孔缩松、热裂、粗大柱状晶、孔洞等多种缺陷，成形性不佳，难以满足高质量精确成形需求；

5、2、镁合金熔点只有约500-630ºc，普遍存在成形性和力学性能互斥的问题，且存在≥250ºc高温时镁基体中赖以强化的纳米沉淀相快速粗化导致高温力学性能骤降的瓶颈问题，难以满足≥250℃高温的耐热性需求；

6、综上所述，开发适用于高端轻质耐热镁合金构件成形制造所需的高耐热镁合金及其制造方法，势在必行，为此我们提出一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其制造方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其制造方法，以解决现有的镁合金耐热性不足、成形性和高温力学性能难以协同提升调控的问题，开发一种成形性好、耐热性高、成本降低的高耐热镁合金及制造方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金，包括以下组分及各组分的重量百分比：

3、4-15wt％的gd、0.05-5wt％的y、0.55-3wt％的al、0.31-3wt％的mn、0.31-3wt％的zn；

4、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

5、以及余量的mg。

6、优选的，适用于增材制造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

7、6-15wt％的gd、0.05-0.2wt％的y、0.6-2.5wt％的al、0.31-2.5wt％的mn、0.31-2.5wt％的zn；

8、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

9、以及余量的mg。

10、优选的，适用于增材制造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

11、6-12wt％的gd、0.08-0.15wt％的y、0.6-2wt％的al、0.41-2wt％的mn、0.31-2wt％的zn；

12、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

13、以及余量的mg。

14、优选的，适用于增材制造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

15、6-10wt％的gd、0.08-0.12wt％的y、0.6-1.5wt％的al、0.51-1.5wt％的mn、0.31-1.5wt％的zn；

16、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

17、以及余量的mg。

18、优选的，适用于铸造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

19、6-15wt％的gd、1-5wt％的y、0.6-2.5wt％的al、0.31-2.5wt％的mn、0.31-2.5wt％的zn；

20、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

21、以及余量的mg。

22、优选的，适用于铸造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

23、6-12wt％的gd、1-4wt％的y、0.6-2wt％的al、0.41-2wt％的mn、0.31-2wt％的zn；

24、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

25、以及余量的mg。

26、优选的，适用于铸造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件，包括以下组分及各组分的重量百分比：

27、6-10wt％的gd、2-4wt％的y、0.6-1.5wt％的al、0.51-1.5wt％的mn、0.31-1.5wt％的zn；

28、不大于0.15wt％的不可避免夹杂物；

29、以及余量的mg。

30、优选的，所述mg、al、zn原料的提供为纯金属块的形式；所述gd、y、mn原料的提供分别为mg-gd中间合金、mg-y中间合金、mg-mn中间合金的形式，且满足mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金中mg、al、zn、gd、y、mn各组分的重量百分比。

31、一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金的制造方法，该制造方法适用于增材制造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件的制造，包括如下步骤：

32、步骤（a1），按计量比称取纯mg锭并于660-680℃下进行熔炼处理0.5-3h，形成mg熔体；

33、步骤（b1），按计量比称取al、zn的纯金属块，以及按计量比选取mg-gd中间合金、mg-y中间合金、mg-mn中间合金加入步骤（a1）得到的mg熔体，在660-680℃下保温0.25-1h，得到预制mg合金熔体；

34、步骤（c1），将步骤（b1）得到的预制mg合金熔体，升温到700-720℃，并在精炼剂条件下进行精炼处理5-30min，去除预制mg合金熔体中的气体和杂质，得到提纯mg合金熔体；

35、步骤（d1），对步骤（c1）得到的提纯mg合金熔体，采用气体雾化的方法制成选区激光熔化增材制造工艺用的镁合金粉末，或者采用熔铸拉拔的方法制成电弧熔丝增材制造工艺用的镁合金丝材；

36、步骤（e1），对步骤（d1）得到的镁合金粉末，采用选区激光熔化增材制造工艺制造成的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件；或者对步骤（d1）得到的镁合金丝材，采用电弧熔丝增材制造工艺制造成所需的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件；

37、步骤（f1），对步骤（e1）得到的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件进行热处理，得到热处理强化的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件。

38、一种基于多尺度异质耐热结构的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金的制造方法，该制造方法适用于铸造工艺的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金及其构件的制造，包括如下步骤：

39、步骤（a2），按计量比称取纯mg锭并于660-680℃下进行熔炼处理0.5-3h，形成mg熔体；

40、步骤（b2），按计量比称取al、zn的纯金属块，以及按计量比选取mg-gd中间合金、mg-y中间合金、mg-mn中间合金加入步骤（a2）得到的mg熔体，在660-680℃下保温0.25-1h，得到预制mg合金熔体；

41、步骤（c2），将步骤（b2）得到的预制mg合金熔体，升温到700-720℃，并在精炼剂条件下进行精炼处理5-30min，去除预制mg合金熔体中的气体和杂质，得到提纯mg合金熔体；

42、步骤（d2），对步骤（c2）得到的提纯mg合金熔体，采用熔铸方法制成铸造工艺用的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金铸锭；

43、步骤（e2），对步骤（d2）得到的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金铸锭，采用重熔、熔体精炼除气除渣以及重力铸造、低压铸造、熔模铸造、高压压铸铸造工艺制造成所需的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件；

44、步骤（f2），对步骤（e2）得到的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件进行热处理，得到热处理强化的mg-gd-y-al-mn高耐热镁合金构件。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

46、本发明的mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金，不同于传统的mg-re基耐热镁合金以及加al不利于镁合金耐热性的行业认识，通过在镁合金中复合添加适量的低成本al元素、gd和y稀土元素、以及mn元素，使得耐热镁合金的成形性、耐热性均得到提高，同时成本得到降低，适合于增材制造、重力铸造、低压铸造、熔模铸造、高压压铸等，可应用于航空航天、汽车交通等重点领域高端轻质耐热构件的制造，并具有以下特点：

47、（1）通过添加低成本的al元素，改善了耐热镁合金的成形性，在传统mg-re系耐热镁合金中加入适量的al元素，可以提升合金的流动性，改善合金的缩孔缩松、热裂倾向，进而提高耐热镁合金的成形性；

48、（2）通过复合添加al元素和稀土元素gd、y，协同提升了耐热镁合金的成形性和力学性能，在优化的al和gd、y成分区间，合金凝固时原位优先析出al2(gd,y)异质形核颗粒，细化α-mg 晶粒并促进其转变为等轴晶，改善合金的缩孔缩松、热裂等凝固缺陷，协同提升耐热镁合金的成形性和力学性能；

49、（3）通过复合添加al元素、gd、y元素和mn元素，在合金基体中诱导生成一种新型的尺寸小于十纳米（几埃至几纳米）的具有极高热稳定性的高密度高耐热al-gd-y-mn四元短程序/团簇强化微结构，同时诱导生成尺寸为几十纳米的高密度耐热al2(gd,y)纳米沉淀强化相，形成多尺度异质耐热结构，显著提升合金的高温力学性能和耐热温度，进而大幅提升耐热镁合金的耐热性，多尺度异质耐热结构可以同时提高较好的室温强度和高温强度，其中al2(gd,y)耐热纳米沉淀强化相保证了合金室温强度，增强了合金高温强度；al-gd-y-mn高耐热短程序/团簇进一步提升了合金室温强度，显著提升合金的高温强度，传统mg-re基耐热镁合金中mg-re纳米沉淀强化相的形成能一般大于-0.25 ev/atom，高温热稳定性差，在≥250 ºc高温时纳米沉淀强化相从几十纳米快速粗化到几百纳米甚至微米量级，导致≥250ºc高温力学性能骤降；而mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金中诱导生成的高耐热al-gd-y-mn四元短程序/团簇强化微结构的形成能小于-2 ev/atom，具有极高的热稳定性，在300ºc高温下工作500h后其尺寸仍小于十纳米，展现出优异的抗≥250ºc高温粗化能力；此外，mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金中诱导生成的耐热al2(gd,y)纳米沉淀强化相具有约1200ºc的高熔点，以及较低的约-0.5 ev/atom的形成能，具有较好的抗≥250ºc高温粗化能力；多尺度异质耐热结构使得mg-gd-y-al-mn基高耐热镁合金具有优异的≥250ºc高温力学性能。