一种含钪高性能铸造镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及金属锻造，更具体而言，涉及一种含钪高性能铸造镁合金及其制备方法。

背景技术：

1、镁合金作为实际应用中最轻的金属结构材料，由于其密度小、比强度高、比弹性模量高、阻尼性能好等优势，在航空航天领域得到广泛应用。近年来，随着航空航天和高新技术的不断发展对导弹、飞船、卫星等产品轻量化提出更高要求。铸造镁合金作为轻量化发展中主要金属结构材料，对其抗拉强度、韧塑性的要求也随之提高。目前，mg-al系镁合金作为航天领域应用最为广泛的镁合金材料，其绝对强度上限已无法满足下一代产品需求和限制镁合金材料在航天领域进一步拓展应用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本发明的一个方面的目的在于，提供一种含钪高性能铸造镁合金，按重量百分数计包括以下组分，al:8.0%~11.0%，mn:0.15%~0.50%，zn:0.20%~0.80%，sc:0~1.0%，余量为mg和不可去除杂质。

2、优选的，所述镁合金按重量百分数计包括以下组分，al:9.3%，mn:0.35%，zn:0.50%，sc:0.50%，余量为mg和不可去除杂质。

3、本发明的另一个方面的目的在于，提供一种含钪高性能铸造镁合金的制备方法，所述制备方法的具体步骤如下，

4、s1.准备原材料：准备主料纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、铝锰中间合金和镁钪中间合金，以及辅料铝铍中间合金、菱镁矿、c2cl6和rj-2+20wt.%sccl3溶剂；

5、考虑到各溶质元素熔点与合金熔炼温度的差距，铝、锌以纯金属形式加入，锰、钪以及辅料中铍以中间合金形式加入；

6、s2.合金熔炼：将熔炼炉升温预热坩埚，同时将s1中的原材料进行预热，随后将预热好的原材料置于坩埚中，通过合金熔炼工艺得到熔融合金液；

7、s3.浇注：将s2中得到的熔融合金液进行升温静置和降温处理，待温度降至浇注温度时，将其浇注到预先造型完毕的砂型中，得到铸态合金；

8、s4.热处理：将s3中得到的铸态合金进行固溶处理和时效处理得到成品。

9、优选的，所述s1中按重量百分数计包括以下组分纯镁锭68.85wt.%-90.85wt.%、纯铝锭5.15wt.%-7.15wt.%、纯锌锭0.5wt.%、铝锰中间合金3.5wt.%、镁钪中间合金0wt.%-20wt.%、铝铍中间合金0.115wt.%、菱镁矿0.25wt.%、c2cl60.25wt.%和rj-2+20wt.%sccl3溶剂1.25wt.%；纯镁锭中镁的含量大于等于99.99wt.%，纯铝锭中铝的含量大于等于99.7wt.%，纯锌锭中锌的含量大于等于99.995wt.%，铝锰中间合金为al-10wt.%mn，镁钪中间合金为mg-5wt.%sc，铝铍中间合金为al-2.6wt.%be。

10、优选的，所述s2中合金熔炼工艺具体步骤如下，

11、a.将熔炼炉升温，预热坩埚至暗红色，同时将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭（用铝箔纸包裹）、铝锰中间合金、镁钪中间合金和铝铍中间合金放置炉边预热，提前将菱镁矿和rj-2+20wt.%sccl3溶剂放置专用烘箱内烘烤备用；

12、b.待坩埚预热完成后，在坩埚底部撒上rj-2+20wt.%sccl3溶剂，放入预热完成的纯镁锭、纯铝锭、铝锰中间合金和铝铍中间合金升温熔化，全部熔化后加入纯锌锭和镁钪中间合金，并进行搅拌处理得到熔融合金液；

13、c.在熔融合金液中加入c2cl6和菱镁矿进行除气和变质处理并进行搅拌处理，待处理完成后清除熔融合金液表面熔渣并撒上一层rj-2+20wt.%sccl3溶剂；

14、d.待除气和变质处理完成后，对熔融合金液进行升温精炼处理，精炼时用搅拌勺或机械搅拌器进行搅拌，同时在液面波峰上不断撒入rj-2+20wt.%sccl3溶剂，精炼至熔融合金液面呈镜面为止。

15、优选的，所述a中将纯镁锭、纯铝锭、纯锌锭、铝锰中间合金、镁钪中间合金和铝铍中间合金预热1h-3h，预热至200℃；将菱镁矿和rj-2+20wt.%sccl3溶剂放置专用烘箱内在100℃-200℃内保温3h-5h。

16、镁合金熔炼过程中，必须对使用工具和原材料进行干燥处理（高温下液态金属镁液易与水汽发生反应燃烧甚至爆炸），同时预热坩埚可以避免直接升温至熔炼温度，造成坩埚开裂或变形，对坩埚起到保护作用。

17、优选的，所述b中坩埚底部撒上主料总重0.2wt.%的rj-2+20wt.%sccl3溶剂；纯锌锭和镁钪中间合金加入温度为700℃-740℃，搅拌时间为3min-7min。

18、加入辅料铝铍中间合金，主要因为适量铍的加入可以减少镁合金熔炼、浇注时的氧化燃烧；金属锌和镁钪中间合金在随炉升温合金全部熔化后加入，主要为了减少或避免锌、钪元素烧损。

19、优选的，所述c中c2cl6和菱镁矿质量比1:1混合，加入量为主料总量的0.5wt.%-1wt.%，搅拌时间为5min-10min；所述d中熔融合金液精炼温度为720℃-750℃，搅拌时间为10min-20min。

20、通过上述步骤获得的熔融合金液成分接近设计值，同时sc元素的加入，在合金中形成细小且弥散分布al3sc粒子，有利于提升合金的常温力学性能。

21、优选的，所述s3中升温静置和降温处理的方法为，先将熔融合金液升温至750℃-800℃，静置20min-40min，随后进行降温处理，将熔融合金液降温至浇注温度710℃-730℃；浇注时用硼酸与硫磺1:1混合物防燃保护。

22、这里熔融合金液静置过程中升高温度是为了在较高温度下依据布朗运动原理，提升熔融合金液原子、微粒、熔渣的扩散运动能力；升温静置目的一：使熔融合金液内各元素充分扩散均匀化，避免熔融合金液出现成分偏析；目的二：使熔渣充分扩散聚沉，进一步净化熔融合金液。

23、优选的，所述s4中固溶处理为，在400℃-420℃温度下保温8h-12h，固溶处理完成后取出炉外空冷至室温；时效处理为，在170℃-195℃下保温8h-16h，时效处理完成后取出炉外空冷至室温。

24、固溶处理是获得高性能铸造镁合金的关键，固溶温度和固溶时间都是其关键工艺参数：本发明中，若固溶温度过低则会导致共晶组织无法充分溶解，固溶效果不佳；若固溶温度过高(＞420℃)则会超过低熔点相变温度点，导致合金内组织发生过烧现象；保温时间过短则固溶效果不佳，影响后续时效沉淀析出效果；保温时间过长则会导致合金晶粒组织粗大，镁合金为hcp结构，晶粒粗化对合金力学性能恶化尤为明显。固溶完成后试样炉外空冷至室温，由于镁合金内元素扩散速率较慢，固溶后空冷即可。通过试验发现，时效处理在170℃-195℃内保温适当时间可以促进主要析出强化相mg17al12相的均匀化析出。通过上述固溶和时效的工艺方法可以获得性能优异的镁合金。

25、本发明所具有的有益效果如下：

26、本发明在mg-al系铸造镁合金zm5基础上通过适当调控al元素含量（在zm5基础上提高al含量1wt.%~2wt.%），引入适量sc元素，严格执行上述熔炼工艺流程，可获得合金各元素成分接近设计值的新型含钪镁合金；严格执行上述热处理工艺参数，可获得相较于zm5综合力学性能更优异的新型含钪高性能铸造镁合金。本发明通过微合金化的方法调控基础合金成分，利用成分-组织-性能的内在关系，引入适量sc元素可以改变原有析出强化相mg17al12相形貌，同时可以在熔炼过程中在合金内形成细小弥散分布的al3sc相，使得合金内强化相组织得到优异改善，进而提高合金综合力学性能。

27、本发明制备的含钪高性能铸造镁合金，其抗拉强度为240mpa~310mpa，屈服强度为140mpa~170mpa，断后伸长率为6%~9%，说明微量稀土元素sc的引入提高了合金综合力学性能；其制备过程操作简单，制备成本低（加入微量稀土sc），对设备要求不高，制备的合金具备优异的综合力学性能，可满足当前航天领域某金属结构件使用要求。

28、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。