EWE531高強(qiáng)度耐熱鎂合金熔煉工藝優(yōu)化

邵 軍

（貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司，貴州 貴陽 550009）

強(qiáng)度不足、耐熱性能不佳和抗腐蝕性不強(qiáng)，嚴(yán)重阻礙了鎂合金在航空航天、軍工及其它行業(yè)中替代鋁合金等材料的步伐。稀土元素，尤其是Y、Nd等，在提高鎂合金強(qiáng)度，耐熱性、抗腐蝕能力方面作用顯著，如WE54和WE43等。

在最近30年～40年中，材料研究方面的科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些重稀土元素（Gd、Dy、Tb等）在提高合金的強(qiáng)度，特別是耐熱性方面，作用強(qiáng)于Y、Nd等其它稀土元素。在這些重稀土元素中，Gd的價(jià)格相對(duì)便宜，作用也較為顯著。Mg-Gd二元合金具有顯著的時(shí)效強(qiáng)化效果，而且強(qiáng)化相在250℃時(shí)仍然具有較高的熱穩(wěn)定性。這種新型高強(qiáng)度耐熱鎂合金采用擠壓，熱處理后加工試棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，強(qiáng)度明顯高于目前公認(rèn)的優(yōu)秀合金WE54。

目前，Mg-Gd-Y-Zr-Nd鎂合金熔煉后，澆注成錠，均勻化退火后，用大型擠壓機(jī)進(jìn)行正向熱擠壓，擠壓成棒狀進(jìn)行時(shí)效處理。試棒的室溫性能、200℃和300℃的高溫性能等都遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)商業(yè)鎂合金。但是，該類鎂合金熔煉后，澆注鑄件或者試棒，熱處理后考察它的室溫、高溫性能，這樣的例子還未見報(bào)道過。

本課題就是采用Mg-Gd-Y-Zr-Nd鎂合金，優(yōu)化合金成分，熔煉后澆注成鑄件和試棒，然后進(jìn)行熱處理，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，考察合金的室溫、高溫性能。

1 合金制備及試驗(yàn)方案

1.1 合金制備

本試驗(yàn)采用電阻爐熔煉鎂合金，Gd、Y、Zr、Nd均采用中間合金形式加入，分別為Mg-30Gd、Mg-30Y、Mg-30Gd、Mg-30Nd。熔煉過程中，使用特殊配方的稀土鎂合金專用熔劑進(jìn)行保護(hù)，熔煉和精煉均在鋼制坩堝中進(jìn)行，熔煉溫度為750℃～820℃。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）方案一：試驗(yàn)合金成分見表1。將制備好的Mg-30Gd、Mg-30Y中間合金錠隨鎂錠一同在電阻爐中重熔，Zr以中間合金形式加入，熔煉最高溫度不超過820℃，采用氬氣作為熔煉保護(hù)氣體。合金完全熔化后進(jìn)行攪拌，同時(shí)加入稀土鎂合金專用精煉劑進(jìn)行精煉。精煉后撇去熔體表面浮渣，開始靜置，靜置時(shí)間在20min～25min，調(diào)低爐溫至740℃～760℃，開始澆注。澆注大型薄壁艙體尺寸φ400mm×1000mm，澆注濕砂型試棒φ12mm×180mm。

表1 試驗(yàn)方案一的合金化學(xué)成分

方案一中，重稀土元素Gd含量高，鑄態(tài)Mg-Gd-Y合金組織中存在嚴(yán)重的枝晶偏析，晶粒間分布著大量的Mg-RE化合物，導(dǎo)致合金的塑性較差。合金熔煉溫度高，成分燒損大。合金流動(dòng)性差，澆注時(shí)必須提高澆注溫度。澆注的艙體鑄件在開箱時(shí)就發(fā)現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)艙體從上到下整體裂開。砂型試棒脆性大，從手中跌落就能碎成兩到三段。合金室溫抗拉強(qiáng)度為250MPa～ 300MPa，延伸率（δ5（%））為0.5～ 1.5。高溫性能：250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為200MPa～280MPa，延伸率（δ5（%））為1.5～2.0；300℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為200MPa～270MPa，延伸率（δ5（%））為2.0～ 3.0。

（2）方案二：試驗(yàn)合金成分見表2。方案二與方案一不同處是將重稀土元素Gd含量適當(dāng)降低，并降低稀土元素Y的含量，合金熔煉工藝未變。

表2 試驗(yàn)方案二的合金化學(xué)成分

方案二中，元素Gd和Y含量適當(dāng)進(jìn)行降低，熔煉最高溫度仍然是820℃，艙體澆注能基本成形。但是，艙體鑄件經(jīng)過X光探傷檢查，內(nèi)部夾雜和裂紋缺陷嚴(yán)重，合金的塑性較差。合金室溫抗拉強(qiáng)度為200MPa～250MPa，延伸率（δ5（%））為2.0～4.0。高溫性能：250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為250MPa～300MPa，延伸率（δ5（%））為1.5～2.0；300℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為200MPa～250MPa，延伸率（δ5（%））為3.0～4.0。

（3）方案三：試驗(yàn)合金成分見表3。方案三在方案二的基礎(chǔ)上將重稀土元素Gd含量適當(dāng)降低，并適當(dāng)提高稀土元素Y的含量，添加稀土元素Nd。合金熔煉工藝未變。

表3 試驗(yàn)方案三的合金化學(xué)成分

方案三中，元素Gd再次進(jìn)行降低，Y含量適當(dāng)提高，并添加Nd稀土元素。Mg-Nd二元合金是典型的可以通過熱處理沉淀強(qiáng)化的鎂合金，加入少量的Nd就可以保障合金良好的時(shí)效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果。熔煉最高溫度控制在800℃以下，成分燒損較小。艙體澆注與采用ZM5和ZM6澆注艙體溫度一致，合金流動(dòng)性好，艙體鑄件經(jīng)過X光探傷檢查，符合HB7780-2005Ⅰ類鑄件要求。

合金室溫抗拉性能為250MPa～300MPa，延伸率（δ5（%））為2.0～4.0。高溫性能：250℃時(shí)抗拉性能為250MPa～300MPa，延伸率（δ5（%））為3.0～5.0；300℃時(shí)抗拉性能為200MPa～250MPa，延伸率（δ5（%））為7.0～10.0。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

從試驗(yàn)來看，采用Mg-30Gd、Mg-30Y中間合金來間接添加Gd、Y元素，能夠用純Mg錠來稀釋中間合金熔煉過程中帶來的夾雜物，并能顯著降低合金的熔煉溫度以及減少合金在較高溫度下的停留時(shí)間。

稀土鎂合金具有良好的室溫、高溫機(jī)械性能和抗腐蝕能力，是應(yīng)用前景十分良好的一類鎂合金。但是稀土鎂合金的成本高，嚴(yán)重的限制了它的廣泛應(yīng)用，特別是民用方面。稀土鎂合金，特別是重稀土鎂合金，雖然有良好的機(jī)械性能，但是鑄造成型性差，往往只能通過變形后才能使用，應(yīng)用受到零件形狀的限制，而某些零件只能采取鑄造成型的方式生產(chǎn)，例如武器系統(tǒng)及飛行器的外殼，屬薄壁件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部質(zhì)量要求高。隨著國防工業(yè)的發(fā)展，特別是工件的高溫性能、耐蝕性能等要求愈來愈高。所以尋求一種強(qiáng)度和耐熱性高的合金進(jìn)行工件的整體鑄造，熱處理后，少加工或不加工直接使用是一種發(fā)展趨勢(shì)。

從試驗(yàn)方案來說，方案三中，重稀土元素Gd含量相對(duì)較低，降低了成本，液體合金流動(dòng)性好，鑄造性能良好，合金綜合性能高，能夠滿足新一代武器系統(tǒng)及飛行器外殼鑄件的技術(shù)要求。

3 結(jié)論

（1）Mg-Gd-Y中加入Zr，Zr能夠細(xì)化晶粒，熔煉時(shí)減少在高溫段的停留時(shí)間，并在較低溫度下攪拌精煉，能夠?qū)崿F(xiàn)鎂合金在較低的溫度下澆注，而不會(huì)降低晶粒的細(xì)化效果。

（2）加入少量的Nd，能夠保障合金良好的時(shí)效析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化效果。

（3）將Mg-Gd-Y-Zr-Nd鎂合金成分進(jìn)行優(yōu)化，采取特殊的熔煉工藝，能夠有效降低熔煉后合金的夾雜物數(shù)量，而且能夠有效地降低合金熔體保護(hù)的難度，降低合金的脆性，提高合金鑄造性能，使該系合金的工業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。