一種耐熱稀土鎂合金及其不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鎂合金材料熱處理技術領域，涉及一種耐熱稀土鎂合金及其不均勻壁 厚鑄件的熱處理工藝，具體涉及Mg-Y-Nd-Ag系稀土鎂合金鑄件的熱處理。
【背景技術】
[0002] Mg-Y-Nd系合金作為稀土鎂合金的典型代表之一，因稀土元素的多重作用，形成 Mg24Y5、Mg2Y、Mg41Nd5以及Mg 14Nd2Y等化合物，具備較好的耐熱性和較高的強度，被廣泛應用 于制造航空、航天等領域要求高溫服役的結構器件。目前，大尺寸、形狀復雜、壁厚存在差異 的，航空、航天用稀土鎂合金結構件多采用低壓鑄造成型，但該系合金也因稀土元素種類 多、合金相復雜，鑄造結晶時易產生偏析，形成大片枝晶組織，這對其性能的充分發揮是不 利的。因此，需要通過后續熱處理來改善其微觀組織結構。研究表明，固溶后再進行人工時 效的T6處理可以很好地改善Mg-Y-Nd系鑄造合金的顯微組織，提高其力學性能。
[0003] 對Mg-Y-Nd系稀土鎂合金的熱處理，目前人們積極探索了熱處理溫度與時間對其 組織和性能的影響，并期望尋求一種最佳的溫度與時間組合使合金擁有較好的力學性能。 然而，采用現有的熱處理制度對大型復雜航空、航天用Mg-Y-Nd系稀土鎂合金鑄件進行熱處 理，由于鑄件各位置的厚度差異較大，加熱過程各位置的受熱不均，并且合金中的析出強化 相種類、結構不同，對應的適宜析出溫度和峰值析出時間也不同，從而導致析出相尺寸不 均，最終表現為熱處理后的鑄件薄壁處和厚壁處的力學力學性能不均，甚至高溫強度不能 滿足使用要求，以及塑性低等缺點。
[0004] 因此，對現有Mg-Y-Nd系稀土鎂合金組分進行合理調整并結合熱處理工藝的優化， 實現其鑄件綜合力學性能的提升，成為本領域的亟需。

【發明內容】

[0005] 本發明針對現有熱處理技術的不足，提供一種組分配比合理、工藝簡單、操作方便 的耐熱稀土鎂合金及其不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝。采用本發明工藝處理后，合金鑄件 兼備優良的室溫與高溫性能。
[0006] 本發明一種耐熱稀土鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組成：
[0007] Y 3.4~3.8;Nd 2.6~3.0;Ag 0.5~0.6;Zr 0.4~0.5;Gd 0.3~0.4,其余為Mg及 不可去除的雜質元素。
[0008] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，是采用下屬方案實現 的：
[0009] 將鑄件加熱至530~540°C，保溫固溶后，以2 90°C/min的速度冷卻至室溫，然后， 加熱至220~230°C，保溫進行人工時效后，出爐空冷;所述鑄件為不均勻壁厚的復雜結構耐 熱稀土鎂合金鑄件，厚壁與薄壁之間的厚度差2 50_。
[0010] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，所述固溶加熱的升溫 速度為150~180°C/h
[0011] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，所述固溶保溫時間為 6 ~10h〇
[0012] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，固溶保溫后，鑄件在 10~30s內進入冷卻工序，冷卻速度為90~120°C/min的。
[0013] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，固溶保溫后的冷卻工 序中，冷卻介質為強風。
[0014] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，人工時效保溫時間為 40~60h〇
[0015] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，所述人工時效的升溫 速度為100~150°c/h。
[0016] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，不均勻壁厚的復雜結 構耐熱稀土鎂合金鑄件外形為圓臺狀，壁厚10~60mm，上底面外徑290~300mm，下底面外徑 750~850mm，高度400~450mm，且存在復雜油、氣管路。
[0017] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，不均勻壁厚的復雜結 構耐熱稀土鎂合金鑄件采用低壓鑄造的方法制備，鑄件內部無明顯裂紋、氣孔及夾渣。
[0018] 本發明一種耐熱稀土鎂合金不均勻壁厚鑄件的熱處理工藝，耐熱稀土鎂合金鑄件 表面經機械打磨，去除表面粘沙及氧化層后，再用鉻酸鹽清洗后進行固溶處理。
[0019] 采用本發明熱處理工藝處理后的大型復雜中強耐熱稀土鎂合金鑄件的平均晶粒 大小為60~80μπι;室溫屈服強度2 240MPa，抗拉強度2 330MPa，延伸率2 6.0 % ;
[0020] 200°C屈服強度2 180MPa，抗拉強度2 250MPa，延伸率2 10.0%;且鑄件內外無明 顯熱處理缺陷，鑄件的不同部位力學性能較為均勻，滿足航空、航天等領域零部件的使用要 求，工藝簡單合理，便于工業化生產。
[0021] 本發明機理簡述于下：
[0022] 發明人仔細研究Mg-Ag二元合金相圖后得知，l、Ag元素在基體Mg中的極限固溶度 較高。當Ag溶入Mg后，固溶體Ag原子造成基體很強的非球型對稱畸變，產生很強的固溶強化 效果。2、Ag能增大基體與時效析出相之間的單位體積自由能差值，使時效析出相的臨界形 核半徑變得更小，在滿足時效析出條件時，基體中析出相成核的位置更多，幾率更大，析出 相的尺寸更細小。換句話說，Ag的添加促進了時效析出相的非均質形核。此外，當合金高溫 固溶淬火后，基體內形成大量過飽和空位，由于Ag原子與空位結合能較大，可優先與空位結 合，使原子擴散減慢，阻礙時效析出相長大。
[0023] 由此，本發明在現有合金成分的基礎上添加適量的Ag元素后，有效增加了合金的 固溶度，并且Ag元素的加入可改善合金的時效析出過程，結合本發明中較長時間的時效處 理，保證了鑄件各位置的受熱均勻，最終大幅度提高大型復雜航空、航天用稀土鎂合金鑄件 的綜合力學性能，從而推進稀土鎂合金在航空、航天等領域的廣泛應用。
[0024] 本發明采用的較長時間時效最終使合金晶內析出納米級別、彌散細小的β'強化 相，晶界處形成不連續分布的粗大含Ag穩定相，晶內與晶界均得到較好的強化，從而使合金 兼備優良的室溫與高溫性能。
[0025] 本發明具有下列特點和有益效果：
[0026] 1、本發明的實施只需常規的熱處理設備，流程簡單易行、安全可靠，適用于處理形 狀復雜，壁厚存在差異的大尺寸稀土鎂合金鑄件，為航空、航天用稀土鎂合金復雜結構鑄件 的性能改善，提供了一種可行的方案；
[0027] 2、本發明通過添加適量的Ag元素與后續長時間時效處理，在晶界處形成不連續分 布的高熔點穩定相，有效地釘扎晶界，使晶粒在熱處理過程中不發生明顯長大;基體晶粒內 部則形成納米級別、彌散細小的強化相，且這些β'強化相在長時間時效過程也未發生粗化； 使合金的晶內與晶界均得到較好的強化；
[0028] 3、本發明最明顯的有益效果：通過本發明所述的熱處理工藝能使大型復雜、中強 耐熱稀土鎂合金鑄件的平均晶粒大小為60~80μπι;室溫屈服強度2 240MPa，抗拉強度2 330MPa，延伸率2 6.0%;200°C屈服強度2 180MPa，抗拉強度2 250MPa，延伸率2 10.0%。
【附圖說明】
[0029]附圖1為對比例中熱處理后零件薄壁處的金相組織 [0030]附圖2為對比例中熱處理后零件厚壁處的金相組織 [0031]附圖3為實施例1中熱處理后零件薄壁處的金相組織 [0032]附圖4為實施例1中熱處理后零件厚壁處的金相組織 [0033]附圖5為實施例1中熱處理后零件的TEM顯微組織
[0034]從圖1~圖4可以看出，常規工藝處理的合金零件在厚壁處和薄壁處由于受熱不 均，導致晶粒大小不一致，這也會導致力學性能的不一致，而本發明處理的零件在厚壁處和 薄壁處的晶粒大小均勻一致，這保證了性能各處一致。
[0035] 從附圖5可以看出：處理后的合金中析出相分布均勻，尺寸細小，這種尺寸細小，分 布均勻的強化相粒子，可起到彌散強化的效果，保證了合金具有較高的強度。
【具體實施方式】
[0036] 下面給出的實施例擬對本發明作進一步說明，但不能理解為是對本發明保護范圍 的限制，該領域的技術人員根據上述本
【發明內容】
做出的一些非本質的改進和調整，仍屬于 本發明的保護范圍。
[0037] 分別按照GB 6397-86《金屬拉伸試驗試樣》、HB 5195-96《金屬高溫拉伸