技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
变形镁合金及其制造方法，特别是一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，所述合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五种
合金元素，所述高强度是指材料能够达到的
抗拉强度≥495MPa。
背景技术
[0002] 镁的
弹性模量比较小，在受
力作用下能产生较大的变形，因而镁合金在冲击
载荷作用下，能吸收较大的冲击能，可制造承受冲击的零件。镁及其合金作为最轻的常用金属结构材料，已受到人们越来越多的关注，并已在国防军工、航空航天、高速轨道交通、
电子通讯等领域得到了一定程度的应用。但是，由于镁合金强度低，还难以大量应用于承载结构件，尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于
钢铁和
铝合金，其室温力学性能明显不足，已经严重的制约了其进一步的应用。
[0003] CN200810230077.2公开了“一种高强度
铸造镁合金及其熔制方法” 其各组成成份的
质量百分含量分别是:Gd:8.1～11.5%,Y:1.0～4.5%,RE:0.01～3.0%,Zn:0.01～0.2%,Mn:0～0.18%,Zr≤1.0%,且(Gd+Y+RE)≤15.5%;余量为Mg及杂质。以Gd和Y为主要合金元素,以多元稀土RE和Zn、Mn为辅助合金化元素，并且用Be、Ca进一步减少合金
氧化和用Zr细化处理，合金强度高，耐热性能优异，适合用铸造方法制成
工件。但是，由于配方复杂，稀土元素使用繁多，增加了制备难度。其获得的最好力学性能是Mg-8.1Gd-4.5Y-
0.11La-0.06Pr-0.41Nd-0.96Sm0.57Dy-0.35Er-0.3Yb-0.12Ho-0.01Zn
铸造合金T6态在室温下的抗拉强度395MPa，但伸长率仅有4.0%，限制了其使用性能和应用范围。而且，该发明合金为铸造镁合金，铸件的产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织
缺陷，并且该发明合金在大量使用稀土元素的同时仍添加Mg-Zr中间合金作为晶粒细化剂，更增加了合金成本。
[0004] CN200610144003.8公开了“一种镁合金及其制备方法”，该镁合金的成份含量为：Gd:7～11wt%，Y:2～5wt%，Zr:0.3～0.6wt%，Zn:0～1.0wt%，其余为Mg和不可避免的杂质元素。该
专利合金铸造态经固溶、
挤压和时效处理后常温最好力学性能数据是抗拉强度
450～480MPa，伸长率3～5%。金属Zr及其合金的价格显著高于金属Mn及其合金，会增加合金成本，并且该合金延伸率较低。
[0005] 因此，选择在镁中添加合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，并对挤压态合金进行适当
热处理，利用复合强化手段来提高镁合金的强度，改善镁合金的综合力学性能和使用性能，拓展其应用范围，成为本领域技术人员有待解决的问题。
发明内容
[0006] 针对
现有技术中存在的上述不足，本发明解决的技术问题是如何改善镁合金强度，提供一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，实现工艺简单，操作容易和降低成本的目的。
[0007] 实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金；其特征在于，所述镁合金主要由Mg、Gd、Y、Zn和Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Gd=8.2～10.2，Y=5.0～6.0，Zn=0.5～4.0，Mn=0.5～0.8，余量为镁和不可避免的杂质；
[0008] 所述合金采用如下方法制备：
[0009] （1）按照上述组分计算需要原料的重量，原料采用工业纯镁、工业纯锌、Mg-Gd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Mn中间合金；采用
真空熔炼、浇铸得到合金
铸锭；
[0010] （2）对步骤（1）获得的合金铸锭进行均匀化
退火处理，其工艺参数为：
温度540℃±10℃，时间4小时；再将制好的坯料进行挤压得到挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度400℃±10℃，挤压比为11，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定；
[0011] （3）对步骤（2）经变形加工后的挤压态合金进行人工时效处理，其工艺参数为：时效温度200℃，保温时间50小时，空冷，制得高强度镁合金材料。
[0012] 进一步，步骤（1）中，所述真空熔炼和浇铸为将原料加入
坩埚并通入氩气进行保护，在真空
冶炼炉中熔炼；在850℃保温并
电磁感应搅拌使原料充分
熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟。
[0013] 优选配方为：所述镁合金各组成成分质量百分含量为：Gd-8.4%，Y-5.3%，Zn-1.65%，Mn-0.6%，杂质的总含量＜0.1%；余量为镁。
[0014] 本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1%。
[0015] 本
发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Zn和Gd、Y能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，兼顾了固溶强化、弥散强化和析出强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。
[0016] 所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是粉末
冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行时效热处理得到最终合金。
[0017] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0018] 本发明提出在Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金中使Mg、Zn和Gd、Y形成大量长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，该工艺是固溶强化、析出强化和形变强化于一体的高强变形镁合金的制备方法。
[0019] 在Mg-Gd-Y-Zn合金中，除了LPSO相拥有良好的强韧化效果外，该体系合金还具有显著的时效强化效果。其时效强化的主要贡献者为亚稳态的β"相(密排六方超点阵结构)、和β??相(底心
正交结构)的大量析出。随着时效时间的延长，除了亚稳相，LPSO结构相也会继续析出。LPSO相的出现，可降低系统总
能量，激活基面位错运动，提高合金的塑性，结合亚稳相的析出强化效果，该合金拥有着成为高强韧镁合金的潜力。
[0020] 虽然Zr元素拥有有效的细化晶粒的作用，但是，在合金熔铸过程中Zr容易与Zn形成Zn3Zr2金属间化合物，降低其晶粒细化的效果，另外Zr在合计缓慢
凝固过程中容易产生严重的偏析和偏聚，形成粗大的单质颗粒聚集，恶化合金的熔炼质量和力学性能。而且，在熔炼时，Mg-Zr中间合金的利用率非常低，而其价格又十分昂贵，熔炼成本很高。而另有研究表明，Mn元素除了提高合金的
腐蚀性能和去除有害元素Fe等优点外，其以单质形式弥散地分布于镁合金中，同样可以细化枝晶，阻碍
热挤压过程中动态再结晶晶粒长大和后续热处理过程中晶粒长大，而且，合金的晶粒尺寸会随着Mn含量的增加而减小。本发明以Mn替代Zr元素，制备了高强度Mg-9Gd-6Y-1.6Zn-0.6Mn(wt.%)合金。
[0021] 仅以如下高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金为例，其具有较高的力学性能，其中时效态Gd -8.4wt%， Y -5.3wt%， Zn -1.65wt%， Mn -0.6wt%；余量为Mg和少量的杂质；该合金的室温抗拉强度为496MPa，
屈服强度为324MPa，延伸率为9.7%；其强度与目前常用的变形镁合金AZ91、ZK60相比显著提高。
[0022] 所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不是
粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工，再对挤压态合金进行适当热处理后得到的合金。
[0023] 本发明中
稀土金属的加入引入了LPSO相和亚稳相，能够显著提高镁合金的室温强韧性，用Mn元素替换Zr元素，还有利于改善合金的
耐腐蚀性能，同时降低合金成本，为镁合金应用领域的扩大创造了条件。
[0024] 本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本低廉，明显提高了合金的室温抗拉强度和屈服强度，解决了Mg合金由于力学性能低而限制其应用的难题，扩大了镁合金的应用范围。
附图说明
[0025] 图1为本发明
实施例1的合金时效态的金相组织图片。
[0026] 具体实施方式：
[0027] 本发明高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金是一种五元镁合金，包括Mg、Gd、Y、Zn和Mn五种合金元素，所述高强度是指材料能够达到的抗拉强度≥495MPa。
[0028] 本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Zn和Gd、Y能够在镁合金中形成长周期相，这些长周期相作为镁基体中新的硬质相，可起到显著的弥散强化效果，再通过时效处理引入亚稳相的强化效果，兼顾了固溶强化、弥散强化和析出强化机制，从而能够改善镁合金的室温力学性能。
[0029] 实施例1：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-8.4%，Y-5.3%，Zn-1.65%，Mn-0.6%，杂质元素小余0.1%，其余为Mg。
[0030] 该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，按如下步骤进行：
[0031] 步骤1：在真空熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Gd=8.4%，Y=5.3%，Zn=1.65%，Mn=0.6%添加合金元素。其中，Gd，Y，Mn，Zn分别以Mg-30Gd中间合金、Mg-25Y中间合金、Mg-3Mn中间合金和纯Zn形式加入。
[0032] 在850℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后继续在850℃静置保温10分钟，然后进行浇铸。
[0033] 步骤2：将所熔炼的镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度540℃±10℃，时间4小时。均匀化处理后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为
400℃，挤压比为11，挤压速度恒定。
[0034] 镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。
[0035] 步骤3：将挤压态合金进行时效处理，其工艺参数为：热处理温度为200℃，保温时间50小时，空冷。镁合金的性能见表1，其中力学性能是指合金室温下的抗拉强度和屈服强度。表1 为实施例1所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的力学性能表。
[0036]
[0037] 实现本发明目的的其他实施例配方，参见表2，其中力学性能是指合金时效态室温下的抗拉强度和屈服强度；工艺方法参见实施例1。
[0038] 实施例2：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.42%，Y-5.58%，Zn-0.65%，Mn-0.63%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。
[0039] 该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。
[0040] 实施例3：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.19%，Y-5.6%，Zn-2.82%，Mn-0.72%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。
[0041] 该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。
[0042] 实施例4：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-9.22%，Y-5.59%，Zn-3.74%，Mn-0.56%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。
[0043] 该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。
[0044] 实施例5：一种高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，合金成分(重量百分比)：Gd-10.01%，Y-5.66%，Zn-1.60%，Mn-0.54%，杂质元素小余0.1%，其余为镁。
[0045] 该高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的制造方法，同实施例1。
[0046] 表2 为实施例2-5所述高强度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金的力学性能表。
[0047]
[0048] 本发明所采用的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点。
[0049] 应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本
说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行
修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。
