EWE531高強度耐熱鎂合金熔煉工藝優(yōu)化

邵 軍

（貴州航天風華精密設備有限公司，貴州 貴陽 550009）

強度不足、耐熱性能不佳和抗腐蝕性不強，嚴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家又陸續(xù)發(fā)現一些重稀土元素（Gd、Dy、Tb等）在提高合金的強度，特別是耐熱性方面，作用強于Y、Nd等其它稀土元素。在這些重稀土元素中，Gd的價格相對便宜，作用也較為顯著。Mg-Gd二元合金具有顯著的時效強化效果，而且強化相在250℃時仍然具有較高的熱穩(wěn)定性。這種新型高強度耐熱鎂合金采用擠壓，熱處理后加工試棒進行拉伸試驗，強度明顯高于目前公認的優(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，用大型擠壓機進行正向熱擠壓，擠壓成棒狀進行時效處理。試棒的室溫性能、200℃和300℃的高溫性能等都遠大于傳統(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，然后進行熱處理，進行強度試驗，考察合金的室溫、高溫性能。

1 合金制備及試驗方案

1.1 合金制備

本試驗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行保護，熔煉和精煉均在鋼制坩堝中進行，熔煉溫度為750℃～820℃。

1.2 試驗方案

（1）方案一：試驗合金成分見表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氣體。合金完全熔化后進行攪拌，同時加入稀土鎂合金專用精煉劑進行精煉。精煉后撇去熔體表面浮渣，開始靜置，靜置時間在20min～25min，調低爐溫至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 試驗方案一的合金化學成分

方案一中，重稀土元素Gd含量高，鑄態(tài)Mg-Gd-Y合金組織中存在嚴重的枝晶偏析，晶粒間分布著大量的Mg-RE化合物，導致合金的塑性較差。合金熔煉溫度高，成分燒損大。合金流動性差，澆注時必須提高澆注溫度。澆注的艙體鑄件在開箱時就發(fā)現裂紋，嚴重時整個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。合金室溫抗拉強度為250MPa～ 300MPa，延伸率（δ5（%））為0.5～ 1.5。高溫性能：250℃時抗拉強度為200MPa～280MPa，延伸率（δ5（%））為1.5～2.0；300℃時抗拉強度為200MPa～270MPa，延伸率（δ5（%））為2.0～ 3.0。

（2）方案二：試驗合金成分見表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 試驗方案二的合金化學成分

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

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

表3 試驗方案三的合金化學成分

方案三中，元素Gd再次進行降低，Y含量適當提高，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化的鎂合金，加入少量的Nd就可以保障合金良好的時效析出強化和固溶強化效果。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，合金流動性好，艙體鑄件經過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℃時抗拉性能為250MPa～300MPa，延伸率（δ5（%））為3.0～5.0；300℃時抗拉性能為200MPa～250MPa，延伸率（δ5（%））為7.0～10.0。

2 試驗結果及討論

從試驗來看，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間。

稀土鎂合金具有良好的室溫、高溫機械性能和抗腐蝕能力，是應用前景十分良好的一類鎂合金。但是稀土鎂合金的成本高，嚴重的限制了它的廣泛應用，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，例如武器系統(tǒng)及飛行器的外殼，屬薄壁件，結構復雜，內部質量要求高。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。所以尋求一種強度和耐熱性高的合金進行工件的整體鑄造，熱處理后，少加工或不加工直接使用是一種發(fā)展趨勢。

從試驗方案來說，方案三中，重稀土元素Gd含量相對較低，降低了成本，液體合金流動性好，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要求。

3 結論

（1）Mg-Gd-Y中加入Zr，Zr能夠細化晶粒，熔煉時減少在高溫段的停留時間，并在較低溫度下攪拌精煉，能夠實現鎂合金在較低的溫度下澆注，而不會降低晶粒的細化效果。

（2）加入少量的Nd，能夠保障合金良好的時效析出強化和固溶強化效果。

（3）將Mg-Gd-Y-Zr-Nd鎂合金成分進行優(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量，而且能夠有效地降低合金熔體保護的難度，降低合金的脆性，提高合金鑄造性能，使該系合金的工業(yè)化生產成為現實。