权利要求
1.一种
稀土镁合金，其特征在于，按照重量百分比计，包括：Gd 9.0~11.0wt.%，Y 0.8~2.0wt.%，Zn 0.3~0.6wt.%，Zr 0.3~0.5wt.%，Ca 0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.2wt.%，Sc 0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素，杂质元素总含量≤0.1%;其中，Gd与Y的重量比为(5~14):1，且Gd与Y的重量之和为10~12 wt.%。
2.根据权利要求1所述的稀土镁合金，其特征在于，按照重量百分比计，所述稀土镁合金包括：Gd 9.5~10.5wt.%，Y 0.8~1.5wt.%，Zn 0.35~0.55wt.%，Zr 0.35~0.45wt.%，Ca0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.19wt.%，Sc 0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的稀土镁合金，其特征在于，
Gd与Y的重量之和，与Ca的重量比为(117~218):1;和/或
Ca与Ag的重量之和为0.1~0.28wt.%;和/或
Zn与Ag的重量比为(2.5~8.5):1。
4.根据权利要求1或2所述的稀土镁合金，其特征在于，
所述稀土镁合金的熔化温度区间为620~640℃;和/或
所述稀土镁合金的β’相尺寸为20~80nm。
5.权利要求1至4中任一项所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，按照合金成分将原料进行混合熔铸，得到镁合金铸锭;所述原料包括纯镁、纯
锌、纯银、镁钙中间合金和镁基稀土中间合金，所述镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金;
步骤S2，将所述镁合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态镁合金;
步骤S3，将所述固溶态镁合金进行时效处理，得到所述稀土镁合金。
6.根据权利要求5所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述混合熔铸包括：
步骤S11，加入纯镁并升温至690~710℃使纯镁进行熔化，待熔体温度达到740~760℃后依次加入所述镁钆中间合金、所述镁钇中间合金、所述镁钙中间合金、所述镁钪中间合金和纯锌进行熔化，得到第一熔体;
步骤S12，将所述第一熔体进行第一超声均质化处理，待熔体温度达到770~790℃后加入所述镁锆中间合金和纯银进行熔化，得到第二熔体;
步骤S13，将所述第二熔体进行第二超声均质化处理，然后依次进行精炼、扒渣后保温，降温静置后进行浇铸，得到所述镁合金铸锭;
其中，所述混合熔铸的气氛为CO2与SF6的混合气氛，CO2与SF6的体积比为(99.6~99.8):(0.2~0.4);和/或
所述混合熔铸还使用氯化物熔剂，所述氯化物熔剂包括氯化镁、氯化钙、氯化钾、氯化钠和氯化钡的一种或多种;和/或
分别独立地，所述第一超声均质化处理和所述第二超声均质化处理的超声频率为20~22kHz，超声处理时间为5~10min;和/或
所述扒渣后保温的时间为8~10min，所述降温静置包括降温至710~730℃并保温8~12min。
7.根据权利要求5所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述固溶处理包括：在第一惰性气氛下，将所述镁合金铸锭依次进行固溶快速升温段和固溶慢速升温段，然后进行水淬，得到所述固溶态镁合金;所述固溶快速升温段的升温速率>所述固溶慢速升温段的升温速率。
8.根据权利要求7所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述固溶快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为440~460℃，保温时间为5~10min;和/或所述固溶慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为480~500℃，保温时间为8~12h。
9.根据权利要求5所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述时效处理包括：在第二惰性气氛下，将所述固溶态镁合金依次进行时效快速升温段和时效慢速升温段，然后进行空冷，得到所述稀土镁合金;所述时效快速升温段的升温速率>所述时效慢速升温段的升温速率。
10.根据权利要求9所述的稀土镁合金的制备方法，其特征在于，所述时效快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为170~190℃，保温时间为5~10min;和/或所述时效慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为200~220℃，保温时间为12~48h。
11.一种镁合金工件的半固态注射成型方法，其特征在于，将权利要求1至4中任一项所述的稀土镁合金的合金锭加工成固态镁粒子，然后使用半固态注射成型机进行注射成型，得到镁合金工件;所述半固态注射成型机包括螺杆，所述螺杆表面涂覆有钨基合金。
12.根据权利要求11所述的半固态注射成型方法，其特征在于，
所述固态镁粒子的长度为3~6mm，宽度为0.5~1mm，厚度为0.5~1mm;和/或
所述螺杆的服役温度为640~660℃，转速为120~180r/min。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及镁合金技术领域，具体而言，涉及一种稀土镁合金、其制备方法及应用。
背景技术
[0002]近年来，新兴
低空经济领域呈现蓬勃发展态势，电动垂直起降飞行器(eVTOL)、无人机等产品因高效便捷的交通属性及多样化应用场景，正迎来爆发式增长。为实现更高的有效载荷与长续航能力，轻量化成为未来先进
低空飞行器研发的核心指标之一。然而，飞行器在服役过程中面临严苛工况挑战：一方面，动力系统周边区域易形成高温环境;另一方面，快速升降、复杂气流等因素会导致飞行器承受高频交变载荷与瞬时冲击。在此背景下，关键零部件(如电机壳体等)需同时具备高强耐热特性(保障高温下的力学性能稳定性)与优异抗疲劳性能(应对循环载荷下的寿命衰减)，以实现飞行器的可靠性与安全性目标。
[0003]镁合金作为目前最轻质的金属结构材料，是满足低空飞行器减重需求的理想材料。但常规镁合金(如AZ、AM系列)存在高温强韧性不足的固有缺陷，难以满足空天飞行器电机壳体等关键部件对高可靠性、长寿命的安全需求，需要开发强韧性更高的稀土镁合金材料以满足低空飞行器对高性能轻质镁合金材料的需求。
[0004]半固态注射成型技术是近年来新兴的镁合金零部件先进成型工艺，凭借其低成本、高效率、低能耗、高材料利用率、可制备复杂薄壁结构等优势，已在汽车、3C电子等领域的镁合金零部件制造中展现出显著应用价值。但受限于现有半固态注射成型设备的工作温度上限(通常≤610℃)，该技术目前主要适用于熔点较低、强度中等的AZ、AM系列镁合金，在高强韧、高熔点的稀土镁合金注射成型方面仍面临技术瓶颈。因此，针对新兴低空经济领域飞行器对高强韧耐热镁合金零部件的迫切需求，开发高强韧耐热镁合金材料并突破其半固态注射成型关键技术，已成为推动低空经济装备轻量化、高性能化发展的核心研究方向之一，具有重要的工程应用价值与市场前景。
发明内容
[0005]本发明的主要目的在于提供一种稀土镁合金、其制备方法及应用，以解决现有技术中稀土镁合金难以兼顾室温和高温下的强度和塑性的问题。
[0006]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种稀土镁合金，按照重量百分比计，包括：Gd 9.0~11.0wt.%，Y 0.8~2.0wt.%，Zn 0.3~0.6wt.%，Zr 0.3~0.5wt.%，Ca0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.2wt.%，Sc 0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素，杂质元素总含量≤0.1%;其中，Gd与Y的重量比为(5~14):1，且Gd与Y的重量之和为10~12wt.%。
[0007]进一步地，按照重量百分比计，稀土镁合金包括：Gd 9.5~10.5wt.%，Y 0.8~1.5wt.%，Zn 0.35~0.55wt.%，Zr 0.35~0.45wt.%，Ca 0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.19wt.%，Sc0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素。
[0008]进一步地，Gd与Y的重量之和，与Ca的重量比为(117~218):1;和/或Ca与Ag的重量之和为0.1~0.28wt.%;和/或Zn与Ag的重量比为(2.5~8.5):1。
[0009]进一步地，稀土镁合金的熔化温度区间为620~640℃;和/或稀土镁合金的β’相尺寸为20~80nm。
[0010]根据本发明的另一方面，提供了本发明上述的稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，按照合金成分将原料进行混合熔铸，得到镁合金铸锭;原料包括纯镁、纯锌、纯银、镁钙中间合金和镁基稀土中间合金，镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金;步骤S2，将镁合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态镁合金;步骤S3，将固溶态镁合金进行时效处理，得到稀土镁合金。
[0011]进一步地，步骤S1中，混合熔铸包括：步骤S11，加入纯镁并升温至690~710℃使纯镁进行熔化，待熔体温度达到740~760℃后依次加入镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁钙中间合金、镁钪中间合金和纯锌进行熔化，得到第一熔体;步骤S12，将第一熔体进行第一超声均质化处理，待熔体温度达到770~790℃后加入镁锆中间合金和纯银进行熔化，得到第二熔体;步骤S13，将第二熔体进行第二超声均质化处理，然后依次进行精炼、扒渣后保温，降温静置后进行浇铸，得到镁合金铸锭;优选地，混合熔铸的气氛为CO2与SF6的混合气氛，CO2与SF6的体积比为(99.6~99.8):(0.2~0.4);和/或混合熔铸还使用氯化物熔剂，氯化物熔剂包括氯化镁、氯化钙、氯化钾、氯化钠和氯化钡的一种或多种;和/或分别独立地，第一超声均质化处理和第二超声均质化处理的超声频率为20~22kHz，超声处理时间为5~10min;和/或扒渣后保温的时间为8~10min，降温静置包括降温至710~730℃并保温8~12min。
[0012]进一步地，步骤S2中，固溶处理包括：在第一惰性气氛下，将镁合金铸锭依次进行固溶快速升温段和固溶慢速升温段，然后进行水淬，得到固溶态镁合金;固溶快速升温段的升温速率>固溶慢速升温段的升温速率;优选地，固溶快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为440~460℃，保温时间为5~10min;和/或固溶慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为480~500℃，保温时间为8~12h。
[0013]进一步地，步骤S3中，时效处理包括：在第二惰性气氛下，将固溶态镁合金依次进行时效快速升温段和时效慢速升温段，然后进行空冷，得到稀土镁合金;时效快速升温段的升温速率>时效慢速升温段的升温速率;优选地，时效快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为170~190℃，保温时间为5~10min;和/或时效慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为200~220℃，保温时间为12~48h。
[0014]根据本发明的另一方面，提供了一种镁合金工件的半固态注射成型方法，将本发明上述的稀土镁合金的合金锭加工成固态镁粒子，然后使用半固态注射成型机进行注射成型，得到镁合金工件;半固态注射成型机包括螺杆，螺杆表面涂覆有钨基合金。
[0015]进一步地，固态镁粒子的长度为3~6mm，宽度为0.5~1mm，厚度为0.5~1mm;和/或螺杆的服役温度为640~660℃，转速为120~180r/min。
[0016]应用本发明的技术方案，协同调控Gd元素对镁合金显著的“固溶增塑”和“析出强化”作用，以及Y元素对Mg-Gd纳米析出相高温粗化的抑制作用，同时通过Zr和Ca元素的细晶强化作用实现镁合金的强韧和耐热性能的提升，并添加Sc和少量Ag以进一步提升镁合金的强塑性，添加适量Zn元素以降低镁合金熔体粘度，提升镁合金熔体的充型性。本发明通过调控合金化元素的含量，得到一种高强韧耐热稀土镁合金材料，其能够兼顾室温和高温下的强度和塑性，可以用于半固态注射成型，满足低空飞行器对轻质镁合金及其零部件的应用需求。
附图说明
[0017]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0018]图1示出了根据本发明实施例1的稀土镁合金中的纳米析出相(β’相)照片;
[0019]图2示出了根据本发明实施例8的稀土镁合金加工成的固态镁粒子。
具体实施方式
[0020]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0021]如无特殊说明，本发明中“惰性气氛”均指氩气气氛。
[0022]正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在稀土镁合金难以兼顾室温和高温下的强度和塑性的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种稀土镁合金，按照重量百分比计，包括：Gd 9.0~11.0wt.%，Y 0.8~2.0wt.%，Zn 0.3~0.6wt.%，Zr 0.3~0.5wt.%，Ca 0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.2wt.%，Sc 0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素，杂质元素总含量≤0.1%;其中，Gd与Y的重量比为(5~14):1，且Gd与Y的重量之和为10~12 wt.%。
[0023]Gd、Y、Sc等稀土元素可以通过“固溶增塑”和“析出强化”机制实现镁合金的强韧化。Gd是主要的强韧化元素，Gd相较于Y具有更高的时效析出强化效果和“固溶增塑”作用，Y元素可以抑制Mg-Gd纳米析出相在高温下的粗化倾向，但Y添加量过高会降低Gd对镁合金塑性的改善效果，使合金脆化，添加量过低则会导致Mg-Gd纳米析出相容易在高温时效过程中粗化，使得镁合金强度降低，因此要协同控制Gd和Y的添加量。Zn可以降低镁合金熔体的粘度，提升液态和半固态熔体流动性和充型性，但添加量过高会引起材料热裂;Zr和Ca都是镁合金有效的晶粒细化剂，可以提升镁合金的塑性和强度，同时晶粒细化有助于促进半固态浆料中球状晶的形成，有助于改善半固态熔体的流动性和充型性;Sc和Ag的添加可以改善镁合金的塑性和提升稀土镁合金的析出强化效果，有利于促进镁合金强韧化。
[0024]本发明通过调控合金化元素的含量，进一步可以协同热处理制度，得到一种高强韧耐热稀土镁合金材料，室温(20~30℃)抗拉强度可达320~380MPa，屈服强度可达210~260MPa，延伸率可达12~18%;200℃下抗拉强度可达280~330MPa，屈服强度可达180~220MPa，延伸率可达20~26%，实现室温和高温下的强度和塑性的兼顾，用于半固态注射成型时，形成的半固态熔体流动性和充型性良好，可满足低空飞行器对轻质镁合金及其零部件的应用需求。
[0025]出于进一步提高稀土镁合金的强韧性能、耐热性能与抗疲劳性能，使其进一步兼顾室温和高温下的强度和塑性的目的，在一种优选的实施方式中，按照重量百分比计，稀土镁合金包括：Gd 9.5~10.5wt.%，Y 0.8~1.5wt.%，Zn 0.35~0.55wt.%，Zr 0.35~0.45wt.%，Ca0.05~0.1wt.%，Ag 0.05~0.19wt.%，Sc 0.02~0.1wt.%，余量为Mg及不可避免的杂质元素。
[0026]在一种优选的实施方式中，Gd与Y的重量之和，与Ca的重量比为(117~218):1;和/或Ca与Ag的重量之和为0.1~0.28wt.%;和/或Zn与Ag的重量比为(2.5~8.5):1。上述条件下Ca、Ag和Zn含量都在可完全固溶范围内，且在时效过程中更不易在晶界处析出大尺寸第二相，同时可以促进基体中适宜尺寸纳米析出相(β’相)的形成，有利于合金同时获得优异的力学强度和塑性。
[0027]在一种优选的实施方式中，稀土镁合金的熔化温度区间为620~640℃;和/或稀土镁合金的β’相尺寸为20~80nm。β’相是由Mg和多种稀土元素、非稀土元素组成的纳米析出相。在上述条件下纳米析出相既能够有效钉扎位错，又允许位错在一定条件下发生移动，从而在提高合金强度的同时保持良好塑性。这一协同作用使得合金在特定成分范围内可实现力学强度与塑性的优异匹配。
[0028]在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了本发明上述的稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，按照合金成分将原料进行混合熔铸，得到镁合金铸锭;原料包括纯镁、纯锌、纯银、镁钙中间合金和镁基稀土中间合金，镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金;步骤S2，将镁合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态镁合金;步骤S3，将固溶态镁合金进行时效处理，得到稀土镁合金。
[0029]具体地，先按照合金成分将原料进行混合熔铸，得到镁合金铸锭;然后将镁合金铸锭进行固溶处理，在此过程中由于Gd、Y、Zn、Zr、Ca、Ag和Sc元素添加量在镁基体可完全固溶范围内，因此铸造镁合金基体内由于非平衡凝固在晶界处形成的大尺寸块状第二相(主要为富稀土相)会在固溶过程中逐渐分解消失，得到固溶态镁合金，稀土镁合金经过固溶处理后力学强度会稍有降低，但塑性会显著提升。最后将固溶态镁合金进行时效处理，在此过程中溶解在基体中的合金化元素由于其含量超过了时效温度下在镁基体中的极限固溶度，会在时效过程中逐渐从固溶过饱和镁合金基体中以纳米级第二相的形式析出，进而得到时效态稀土镁合金，稀土镁合金经时效处理后塑性会稍有降低，但力学强度会显著提升，从而实现室温和高温下的强度和塑性的兼顾。
[0030]优选地，镁钙中间合金中钙元素的重量百分含量为8~12%，镁基稀土中间合金中稀土元素的重量百分含量为25~35%，便于进行元素含量控制。上述制备方法简单，易于操作，通过成分和热处理工艺设计能够使得铸造稀土镁合金兼具优异的室温/高温强度和塑性。
[0031]Gd-Y-Zn-Zr系合金在固溶处理过程中难以避免地会形成块状Gd-Y相和针状Zn-Zr相，对合金的力学性能有不利影响。通过采用优选的固溶处理与时效处理制度能够减少块状Gd-Y相和针状Zn-Zr相对镁合金力学性能的影响，实现稀土镁合金强塑性协同提升。通过协同调控合金元素的添加量和热处理制度，有利于实现高强韧耐热稀土镁合金制备，固溶处理还有利于提升后期进行半固态注射成型时镁合金半固态浆料的成分均匀性和铸件的组织均匀性。
[0032]在一种优选的实施方式中，步骤S1中，混合熔铸包括：步骤S11，加入纯镁并升温至690~710℃使纯镁进行熔化，待熔体温度达到740~760℃后依次加入镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁钙中间合金、镁钪中间合金和纯锌进行熔化，得到第一熔体;步骤S12，将第一熔体进行第一超声均质化处理，待熔体温度达到770~790℃后加入镁锆中间合金和纯银进行熔化，得到第二熔体;步骤S13，将第二熔体进行第二超声均质化处理，然后依次进行精炼、扒渣后保温，降温静置后进行浇铸，得到镁合金铸锭。优选地，混合熔铸的气氛为CO2与SF6的混合气氛，CO2与SF6的体积比为99.6~99.8:(0.2~0.4);和/或混合熔铸还使用氯化物熔剂，氯化物熔剂包括氯化镁、氯化钙、氯化钾、氯化钠和氯化钡的一种或多种;和/或分别独立地，第一超声均质化处理和第二超声均质化处理的超声频率为20~22kHz，超声处理时间为5~10min;和/或扒渣后保温的时间为8~10min，降温静置包括降温至710~730℃并保温8~12min。
[0033]熔铸前可以对原料、工具及模具进行表面清理和烘烤，烘烤温度为160~200℃，时间为25~35min，以减少镁合金熔炼过程中的杂质引入。为提高物料纯净度，熔铸前可以多添加0.5~1.0kg原料。熔体浇铸过程中优选持续进行CO2+SF6气体保护，以减少铸锭内的氧化物夹杂。
[0034]先将纯镁在CO2+SF6气氛和氯化物熔剂保护下熔化，然后依次加入镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁钙中间合金、镁钪中间合金和纯锌，待中间合金和纯锌完全融化后对熔体进行超声均质化处理，可以采用将超声变幅杆探入熔体的方式进行;最后加入镁锆中间合金和纯银，待镁锆中间合金和纯银熔化后再进行一次超声均质化处理，然后精炼、扒渣并保温，最后降温静置后进行浇铸，浇铸到最后可以进行补缩动作，以进一步减少镁合金铸锭内部缺陷，得到高质量镁合金铸锭。
[0035]为进一步减少镁合金氧化，优选固溶处理在惰性气氛保护下进行，惰性气氛可以通过以下方法准备：将气氛热处理炉抽真空至真空度为-0.05~-0.1MPa，充氩至气压为0.01~0.03MPa，重复2~3次。
[0036]在一种优选的实施方式中，步骤S2中，固溶处理包括：在第一惰性气氛下，将镁合金铸锭依次进行固溶快速升温段和固溶慢速升温段，然后进行水淬，得到固溶态镁合金;固溶快速升温段的升温速率>固溶慢速升温段的升温速率;优选地，固溶快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为440~460℃，保温时间为5~10min;和/或固溶慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为480~500℃，保温时间为8~12h。水淬的水温为80~90℃。
[0037]在一种优选的实施方式中，步骤S3中，时效处理包括：在第二惰性气氛下，将固溶态镁合金依次进行时效快速升温段和时效慢速升温段，然后进行空冷，得到稀土镁合金;时效快速升温段的升温速率>时效慢速升温段的升温速率;优选地，时效快速升温段的升温速率为12~18℃/min，温度为170~190℃，保温时间为5~10min;和/或时效慢速升温段的升温速率为3~8℃/min，温度为200~220℃，保温时间为12~48h。惰性气氛可以参考固溶处理进行准备。
[0038]上述两段式固溶升温处理和/或时效升温处理有利于在缩短升温时间的同时，改善合金固溶温度和/或时效温度的准确性和稳定性。固溶快速升温段由于升温速率较快，有利于缩短整个固溶处理过程时间，快速升温到一定温度后进行短时保温有利于炉体内部温度均匀，提升热处理样品的受热均匀性。上述固溶慢速升温段由于升温速率较慢，有利于避免因为升温过快导致温度到达设定值后超温对固溶热处理过程造成影响，同时也有利于样品均匀受热和升温。时效过程的时效快速升温段和时效慢速升温段同理。上述条件有利于进一步改善固溶效果和时效效果，细化合金组织，进而改善镁合金在室温和高温下的强度和韧性。
[0039]在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种镁合金工件的半固态注射成型方法，将本发明上述的稀土镁合金的合金锭加工成固态镁粒子，然后使用半固态注射成型机进行注射成型，得到镁合金工件;半固态注射成型机包括螺杆，螺杆表面涂覆有钨基合金。使用本发明的镁合金，并通过在半固态注射成型机的关键零部件(螺杆)表面增加一层耐高温钨基合金涂层提升了螺杆的工作温度，从而可以实现稀土镁合金的半固态注射成型，满足低空飞行器对轻质高强韧耐热镁合金及其零部件的应用需求。其中由于有诸多耐高温钨基合金可应用，不对具体成分进行限定。
[0040]将稀土镁合金的合金锭(铸锭或者时效处理之后的合金)进行机械切削，加工成固态镁合金粒子，然后送入装配有耐高温涂层强化螺杆的半固态注射成型机的设备料筒内，镁粒子在设备料筒内螺杆装置的剪切作用和加热装置的加热作用下逐渐熔化，从固态颗粒转变为由部分球状固相颗粒和液相熔体混合的半固态浆料，当半固态浆料在螺杆前端储存到设定量后螺杆停止转动，对半固态浆料进行压射，半固态浆料由料筒被压射入模具，冷却后形成工件。
[0041]本发明的高强韧耐热镁合金粒子的半固态浆料制备温度典型区间约为640~660℃，通过在半固态注射成型机螺杆表面增加一层耐高温涂层(耐高温钨基合金)，可以使螺杆的工作温度达到650℃以上，实现高熔点稀土镁合金的半固态注射成型。
[0042]基于相似的理由，在一种优选的实施方式中，固态镁粒子的长度为3~6mm，宽度为0.5~1mm，厚度为0.5~1mm;和/或螺杆的服役温度为640~660℃，转速为120~180r/min。
[0043]典型的但非限定性的，按照重量百分比计，稀土镁合金包括：Gd 9.0 wt.%、9.2wt.%、9.5 wt.%、9.8 wt.%、10.0 wt.%、10.2 wt.%、10.5 wt.%、10.8 wt.%、11.0wt.%或其任意两个数值组成的范围值，Y 0.8 wt.%、1.0 wt.%、1.2 wt.%、1.5 wt.%、1.8 wt.%、2.0wt.%或其任意两个数值组成的范围值，Zn 0.3 wt.%、0.35 wt.%、0.4 wt.%、0.45 wt.%、0.5wt.%、0.55 wt.%、0.6wt.% 或其任意两个数值组成的范围值，Zr 0.3 wt.%、0.32 wt.%、0.35 wt.%、0.38 wt.%、0.4 wt.%、0.42 wt.%、0.45 wt.%、0.48 wt.%、0.5wt.% 或其任意两个数值组成的范围值，Ca 0.05 wt.%、0.06 wt.%、0.07 wt.%、0.08 wt.%、0.09 wt.%、0.1wt.% 或其任意两个数值组成的范围值，Ag 0.05 wt.%、0.08 wt.%、0.1 wt.%、0.12wt.%、0.15 wt.%、0.18 wt.%、0.19 wt.%、0.2wt.% 或其任意两个数值组成的范围值，Sc0.02 wt.%、0.04 wt.%、0.05 wt.%、0.06 wt.%、0.08 wt.%、0.1wt.%或其任意两个数值组成的范围值，余量为Mg及不可避免的杂质元素。
[0044]典型的但非限定性的，Gd与Y的重量比为5:1、6:1、8:1、10:1、12:1、14:1或其任意两个数值组成的范围值;Gd与Y的重量之和为10 wt.%、10.5 wt.%、11 wt.%、11.5 wt.%、12wt.% 或其任意两个数值组成的范围值。
[0045]典型的但非限定性的，Gd与Y的重量之和，与Ca的重量比为117:1、120:1、140:1、150:1、160:1、180:1、200:1、218:1或其任意两个数值组成的范围值;Ca与Ag的重量之和为0.1 wt.%、0.12 wt.%、0.15 wt.%、0.18 wt.%、0.2 wt.%、0.22 wt.%、0.25 wt.%、0.26wt.%、0.28wt.% 或其任意两个数值组成的范围值;Zn与Ag的重量比为2.5:1、3.5:1、4.5:1、5.5:1、6.5:1、7.5:1、8.5:1或其任意两个数值组成的范围值。
[0046]典型的但非限定性的，稀土镁合金的熔化温度区间为620℃、625℃、630℃、635℃、640℃或其任意两个数值组成的范围值;稀土镁合金的β’相尺寸为20nm、40 nm、50 nm、60nm、80nm或其任意两个数值组成的范围值。
[0047]典型的但非限定性的，固溶快速升温段的升温速率为12℃/min、14℃/min、15℃/min、16℃/min、18℃/min或其任意两个数值组成的范围值，温度为440℃、445℃、450℃、455℃、460℃或其任意两个数值组成的范围值，保温时间为5min、6 min、7 min、8 min、9 min、10min或其任意两个数值组成的范围值;固溶慢速升温段的升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min或其任意两个数值组成的范围值，温度为480℃、485℃、490℃、495℃、500℃或其任意两个数值组成的范围值，保温时间为8h、9 h、10 h、11 h、12h或其任意两个数值组成的范围值。
[0048]典型的但非限定性的，时效快速升温段的升温速率为12℃/min、14℃/min、15℃/min、16℃/min、18℃/min或其任意两个数值组成的范围值，温度为170℃、175℃、180℃、185℃、190℃或其任意两个数值组成的范围值，保温时间为5 min、6 min、8 min、9 min、10min或其任意两个数值组成的范围值;时效慢速升温段的升温速率为3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、8℃/min或其任意两个数值组成的范围值，温度为200℃、205℃、210℃、215℃、220℃或其任意两个数值组成的范围值，保温时间为12 h、18 h、24 h、32 h、36 h、42 h、48h或其任意两个数值组成的范围值。
[0049]以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
[0050]实施例1
[0051]稀土镁合金的成分见表1，制备方法如下：
[0052]步骤S1，合金熔铸：按照成分配比和烧损量称量原料，包括纯镁、纯锌、纯银、镁钙中间合金(钙含量10%)和镁基稀土中间合金(相应稀土元素含量30%)，镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金。将原料、操作工具及浇铸模具均180℃烘烤30min。
[0053]步骤S11，将纯镁置于坩埚中并放入井式电阻炉中随炉升温，炉温达到500℃时通入CO2+SF6(体积比为99.7:0.3)保护气并覆一层氯化物保护熔剂，继续升温至700℃使镁锭完全熔化;待镁合金熔体升温至750℃后加入除镁锆中间合金和纯银外的原料，完全熔化后得到第一熔体;
[0054]步骤S12，对第一熔体进行超声均质化处理，超声频率为20kHz，超声时长5min;将熔体升温至780℃，加入镁锆中间合金和纯银，待镁锆中间合金和纯银熔化后，得到第二熔体;
[0055]步骤S13，对第二熔体进行超声均质化处理，超声频率为20kHz，超声时长10min;然后精炼、扒渣，保温10分钟;镁合金熔体降温至720℃并静置10min后进行镁合金模具浇铸。
[0056]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至480℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0057]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至200℃保温24h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0058]实施例2
[0059]与实施例1的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0060]步骤S13中，超声时长5min。
[0061]实施例3
[0062]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0063]步骤S2中，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至490℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0064]实施例4
[0065]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0066]步骤S2中，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至500℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0067]实施例5
[0068]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0069]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至500℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0070]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至210℃保温24h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0071]实施例6
[0072]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0073]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至500℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0074]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至220℃保温24h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0075]实施例7
[0076]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0077]步骤S2中，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至500℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0078]实施例8至10
[0079]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0080]步骤S2中，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至500℃保温8h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0081]实施例11
[0082]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0083]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至480℃保温12h，然后在90℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0084]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至200℃保温12h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0085]实施例12
[0086]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0087]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至450℃保温8min，然后以5℃/min升温至480℃保温10h，然后在90℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0088]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至210℃保温48h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0089]实施例13
[0090]稀土镁合金的成分同实施例2，制备方法如下：
[0091]步骤S1，合金熔铸：按照成分配比和烧损量称量原料，包括纯镁、纯锌、纯银、镁钙中间合金(钙含量10%)和镁基稀土中间合金(相应稀土元素含量30%)，镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金。将原料、操作工具及浇铸模具均180℃烘烤30min。
[0092]步骤S11，将纯镁置于坩埚中并放入井式电阻炉中随炉升温，炉温达到500℃时通入CO2+SF6(体积比为99.6:0.4)保护气并覆一层氯化物保护熔剂，继续升温至690℃使镁锭完全熔化;待镁合金熔体升温至740℃后加入除镁锆中间合金和纯银外的原料，完全熔化后得到第一熔体;
[0093]步骤S12，对第一熔体进行超声均质化处理，超声频率为22kHz，超声时长10min;将熔体升温至770℃，加入镁锆中间合金和纯银，待镁锆中间合金和纯银熔化后，得到第二熔体;
[0094]步骤S13，对第二熔体进行超声均质化处理，超声频率为22kHz，超声时长10min;然后精炼、扒渣，保温8分钟;镁合金熔体降温至710℃并静置12min后进行镁合金模具浇铸。
[0095]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.08MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复3次，停止充气并开始升温;先以12℃/min升温至440℃保温10min，然后以3℃/min升温至480℃保温12h，然后在80℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0096]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.08MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复3次，停止充气并开始升温;先以12℃/min升温至170℃保温10min，然后以3℃/min升温至200℃保温48h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0097]实施例14
[0098]稀土镁合金的成分同实施例2，制备方法如下：
[0099]步骤S1，合金熔铸：按照成分配比和烧损量称量原料，包括纯镁、纯锌、纯银、镁钙中间合金(钙含量10%)和镁基稀土中间合金(相应稀土元素含量30%)，镁基稀土中间合金包括镁钆中间合金、镁钇中间合金、镁锆中间合金和镁钪中间合金。将原料、操作工具及浇铸模具均180℃烘烤30min。
[0100]步骤S11，将纯镁置于坩埚中并放入井式电阻炉中随炉升温，炉温达到500℃时通入CO2+SF6(体积比为99.8:0.2)保护气并覆一层氯化物保护熔剂，继续升温至710℃使镁锭完全熔化;待镁合金熔体升温至760℃后加入除镁锆中间合金和纯银外的原料，完全熔化后得到第一熔体;
[0101]步骤S12，对第一熔体进行超声均质化处理，超声频率为22kHz，超声时长5min;将熔体升温至790℃，加入镁锆中间合金和纯银，待镁锆中间合金和纯银熔化后，得到第二熔体;
[0102]步骤S13，对第二熔体进行超声均质化处理，超声频率为22kHz，超声时长5min;然后精炼、扒渣，保温10分钟;镁合金熔体降温至730℃并静置8min后进行镁合金模具浇铸。
[0103]步骤S2，固溶处理：室温下将镁合金铸锭置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.03MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以18℃/min升温至460℃保温5min，然后以8℃/min升温至500℃保温8h，然后在90℃的热水中淬火，得到固溶态镁合金。
[0104]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.03MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以18℃/min升温至190℃保温5min，然后以8℃/min升温至220℃保温12h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0105]对比例1至2
[0106]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0107]对比例3
[0108]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0109]步骤S3，时效处理：室温下将固溶态镁合金置于马弗炉内，将容器抽真空至真空度为-0.1MPa，充氩至气压为0.01MPa，重复2次，停止充气并开始升温;先以15℃/min升温至180℃保温8min，然后以5℃/min升温至240℃保温24h，取出空冷，得到稀土镁合金。
[0110]对比例4
[0111]与实施例2的区别在于，稀土镁合金的成分不同，详见表1。
[0112]性能测试：
[0113]抗拉强度、屈服强度、延伸率：按照GB/T 228.1-2021和GB/T 228.2-2015进行测试。将上述实施例和对比例制备的稀土镁合金加工为国标尺寸的棒状拉伸样品，测试其室温下和200℃的抗拉强度、屈服强度、延伸率，结果见表2。
[0114]半固态注射成型实验：将实施例8制得的稀土镁合金进行镁合金半固态注射成型实验，经相图计算结合DSC测试该合金的熔点约630℃，超过常规半固态注射成型机的工作温度范围。将实施例8的稀土镁合金加工成镁粒子，然后在装配有耐高温强化涂层螺杆的注射成型机内进行注射成型实验，镁合金在料筒内的加热温度设定为630℃、640℃和650℃，螺杆转速设定为130r/min，模具温度设定为250℃，注射成型结果如表3所示。
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]由表3可知，本发明的半固态注射成型方法使用装有耐高温涂层强化螺杆的半固态注射成型机可以满足高熔点稀土镁合金样件在650℃下半固态注射成型需求。
[0119]实施例1的稀土镁合金中的β’相照片见图1，可见析出相为纳米级，密度高，分布均匀。实施例8的稀土镁合金加工成的固态镁粒子见图2。
[0120]可见，对比例1由于Y含量较高，Gd/Y<5，导致合金经过固溶和时效后基体内的Mg-RE纳米析出相粗化程度不足，数量密度高，在镁合金变形过程中纳米析出相对位错的钉扎效应较强，易产生应力集中导致材料断裂，因而抗拉强度和延伸率显著降低。
[0121]对比例2由于Gd+Y>12wt.%，导致合金经过固溶和时效后基体内的Mg-RE纳米析出相数量密度较高，在镁合金变形过程中纳米析出相对位错的钉扎效应较强，易产生应力集中导致材料断裂，导致合金的抗拉强度和延伸率显著降低。
[0122]对比例3由于Zn含量>0.6wt.%，时效处理温度>220℃，导致合金基体中大量的Gd和Y元素被消耗与Zn元素结合形成强化能力较弱的LPSO相(长有序/短有序相)，导致纳米Mg-RE增强相的析出密度降低，且在高温时效条件下发生析出相粗化，导致合金的抗拉强度和屈服强度显著降低。
[0123]对比例4由于Ca含量>0.1wt.%，较高的Ca元素添加会增加Ca元素在晶界处偏聚的倾向，降低晶界结合强度，使晶界成为裂纹萌生和扩展的优先路径，从而导致沿晶断裂倾向增加，使得合金的抗拉强度和延伸率显著降低。
[0124]由上可知，与对比例相比，本发明各实施例协同调控Gd元素对镁合金显著的“固溶增塑”和“析出强化”作用，以及Y元素对Mg-Gd纳米析出相高温粗化的抑制作用，同时通过Zr和Ca元素的细晶强化作用实现镁合金的强韧和耐热性能的提升，并添加Sc和少量Ag以进一步提升镁合金的强塑性，添加适量Zn元素以降低镁合金熔体粘度，提升镁合金熔体的充型性。本发明通过调控合金化元素的含量，得到一种高强韧耐热稀土镁合金材料，其能够兼顾室温和高温下的强度和塑性，可以用于半固态注射成型，满足低空飞行器对轻质镁合金及其零部件的应用需求。
[0125]此外可以看出，当各工艺参数均在本发明优选范围之内时，综合效果更佳。
[0126]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(2)
声明：
“稀土镁合金、其制备方法及应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中铝科学技术研究院有限公司, 中铝郑州有色金属研究院有限公司
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