本發(fā)明屬于冶金技術領域，涉及一種變形稀土鎂合金及通過調整合金元素（Gd、Y和Zn）含量或改變熱加工工藝而獲得具有良好綜合性能鎂合金的方法。
背景技術：
由于鎂合金具有低密度、高比強度、高比剛度、良好的阻尼減震性能及鑄造成型性等優(yōu)勢，從20世紀90年代以來，全球掀起了鎂合金開發(fā)應用的熱潮。鎂合金在航空航天、汽車、高鐵及3C領域具有廣泛的應用前景。然而，鎂合金的絕對強度偏低，塑性、阻燃性及耐腐蝕性較差，限制了鎂合金的規(guī)模應用。因此，開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的鎂合金顯得尤為重要。
稀土鎂合金具有優(yōu)異的室溫力學性能和耐熱性能。Kawamura等人采用快速凝固粉末冶金工藝，制備出了室溫屈服強度大于600MPa的超高強Mg97Zn1Y2合金，但復雜危險的制備工藝極大地增加了合金的制備難度和成本，限制了合金的廣泛應用。Homma等人采用常規(guī)的鑄造、擠壓和熱處理工藝，制備了具有優(yōu)異力學性能的稀土鎂合金，其室溫抗拉強度和屈服強度分別為542MPa和473MPa，延伸率為8%。但是該合金中的稀土含量高達16wt.%，不僅增加了材料成本，也增大了合金的密度，削弱了鎂合金作為輕質材料的優(yōu)勢。Jian等人在Mg-Gd-Y-Zr合金中加入1.8wt.% Ag，在經(jīng)過軋制變形后，合金的室溫抗拉強度和屈服強度分別達到了600MPa和575MPa，同時具有5.2%的延伸率。然而，較高含量Ag的加入導致材料成本明顯上升，同時也降低了合金的耐蝕性，不利于鎂合金的實際應用。此外，與其他常用金屬材料相比，鎂合金具有更低的著火點，這種相對較強的易燃性阻礙了鎂合金在很多方面的應用，尤其是航空航天方面，其在耐蝕性方面也需要更深入的研究。
申請?zhí)?01110282459.1公開了一種高韌性高屈服強度鎂合金，該合金經(jīng)均勻化擠壓時效處理后，抗拉強度可達到360MPa，屈服強度可達到330MPa，延伸率可達11%。申請?zhí)朇N201110340198.4公開了一種低稀土高強耐熱鎂合金及其制備方法，該合金經(jīng)均勻化時效擠壓后，抗拉強度≥250MPa，延伸率≥8%。申請?zhí)?00510025251.6公開了一種高強度耐熱鎂合金及其制備方法，該鎂合金T5態(tài)力學性能可達抗拉強度≥369MPa，屈服強度≥288MPa，延伸率≥5.1%。以上專利中所涉及的稀土鎂合金力學性能相對較低，難以大量應用于承載結構件。
申請?zhí)?01210164316.5公開了一種高強度Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金，該合金經(jīng)均勻化擠壓以及熱處理后，可達到抗拉強度≥428MPa，屈服強度≥241MPa，延伸率≥7.7%。申請?zhí)?01410519516.7公開了一種Mg-Gd-Y-Zr合金的制備及其處理工藝，該合金經(jīng)T5處理后其最高力學性能為：抗拉強度403MPa，屈服強度372MPa，延伸率4.4%。申請?zhí)?01610122639.6公開了一種高強度高塑性Mg-Gd-Y-Ni-Mn合金及其制備方法，該鎂合金的最高力學性能可達抗拉強度≥450MPa，延伸率≥9.0%，但該專利所列舉合金稀土含量均在12%左右，成本較高。以上專利所涉及合金的稀土含量均較高，導致合金成本增加、密度增大，不利于工業(yè)上的廣泛應用。
申請?zhí)?01010130610.5公開了一種含Gd、Er、Mn和Zr元素的阻燃鎂合金，其阻燃溫度可達740℃，鑄態(tài)合金室溫抗拉強度可達220MPa，延伸率大于5%。申請?zhí)?01210167350.8公開了一種阻燃鎂合金，在AZ91D合金中添加Ca、Sr、RE、Be等元素，使材料的著火點提高到了710℃。申請?zhí)?01410251364.7公開了一種阻燃高強鎂合金及其制備方法，合金組分為Mg-Al-Y-CaO，其阻燃溫度≥745℃，室溫抗拉強度≥231MPa。以上專利所涉及的合金在擁有較好阻燃性能的同時，機械力學性能較低，限制了其應用發(fā)展。
合金的腐蝕性能對其應用亦有著至關重要的影響，目前的商業(yè)鎂合金腐蝕性能較差，AZ31鎂合金腐蝕速率約4.5 mg·cm-2·d-1。申請?zhí)?01010120418.8通過在AZ31中添加富Y混合稀土，可使其腐蝕速率最低降至0.98 mg·cm-2·d-1。AZ91合金腐蝕速率約1.58 mg·cm-2·d-1，申請?zhí)?00910248685.0公開了一種耐蝕鎂合金，通過在AZ91中添加一定量的Cd，使其腐蝕速率有了明顯降低，最低可達0.64 mg·cm-2·d-1；申請?zhí)?01410521001.0公開了一種耐腐蝕鎂合金，在AZ91中添加V元素，使腐蝕速率最低可達0.54 mg·cm-2·d-1。稀土鎂合金的腐蝕速率則更低，WE43腐蝕速率約0.6 mg·cm-2·d-1，申請?zhí)?00910099330.X公開了一種添加CaO的Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金，其腐蝕速率可低至0.16 mg·cm-2·d-1，但其經(jīng)T6處理后，強度較差，較高的成本也限制了其應用與發(fā)展。
此外，鎂合金斷裂韌性普遍較低，開發(fā)高斷裂韌性鎂合金為提高鎂合金服役的安全性和可靠性具有重要意義。
鎂合金作為具有廣泛應用前景的金屬結構材料，其在實際應用過程中仍然面臨著諸多亟待解決的技術問題。為了促進鎂合金的實際應用，需要在保證材料成本可接受的前提下，開發(fā)出具有良好綜合性能的合金。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有高強鎂合金稀土含量過高和綜合性能不足的問題，通過調整合金成分、成形和熱處理工藝條件，開發(fā)出一種低稀土高強高韌且具有良好阻燃性和耐蝕性的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金及其制備方法，稀土總含量不高于11wt.%，且工藝簡單，操作容易，成本較低，解決了合金制備工藝復雜、制備成本高的問題。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
一種高強韌耐蝕防燃Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金，包含的各組分及其質量百分比為：3.0%≤Gd≤9.0%，1.0%≤Y≤6.0%，Gd+Y≤11.0%，0.5%≤Zn≤3.0%，0.2%≤Zr≤1.5%，余量為Mg和不可避免的雜質。
一種上述高強韌耐蝕防燃Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的制備方法，具體實施步驟如下：
（1）按照合金成分進行計算配料，其中原料Gd、Y和Zr分別以Mg-30wt.%Gd、Mg-30wt.%Y和Mg-30wt.%Zr的中間合金形式添加，Mg和Zn則分別以工業(yè)純Mg和純Zn形式添加；
（2）將熔煉爐溫度升至760~850℃，在CO2+10vol%SF6混合氣體保護下加入步驟（1）準備的純Mg及純Zn錠；
（3）待步驟（2）所加的純Mg及純Zn錠完全熔化后，將爐溫降至730~780℃，依次加入Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金和Mg-Zr中間合金，得到熔體；
（4）將爐溫調節(jié)至700~750℃，去除表面渣料，在爐底通入預熱氬氣對熔體進行精煉，精煉10~20min使熔體純度提高；
（5）升溫至730~760℃，在0.01~0.02MPa下將熔體轉入靜置爐中，靜置1~3h；
（6）降溫至700~720℃，以42mm/min的速度對步驟（5）制備所得的熔體進行澆鑄，采用室溫冷卻水對鑄錠進行冷卻結晶，冷卻水壓力為0.02MPa，最終澆鑄得到直徑為170mm、長度≥2.5m的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金大型鑄錠；
（7）將鑄錠在450~550℃的溫度下進行8~24h的均勻化處理，完成后在50~80℃的溫水中淬火；
（8）對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為350~450℃，擠壓比為8~20，壓頭速率為0.05~5mm/s；
（9）將擠壓態(tài)合金在175~225℃的溫度下進行等溫時效處理，保溫時間為0.5~200h；時效完后樣品在50~80℃的溫水中淬火冷卻，得到目標合金。
本發(fā)明具有如下有益效果：
1、本發(fā)明采用常規(guī)制備工藝即可制備出低稀土含量的高強韌鎂合金，擠壓工藝簡單，易于操作，具有較廣的應用范圍。
2、Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金不僅具備優(yōu)異的高強韌性，還具有優(yōu)良的耐蝕性能及阻燃性能，與目前常用的商業(yè)鎂合金AZ91、ZK60以及WE43等相比，綜合性能有著顯著的提高。
3、Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在稀土總含量為7~11wt.%時，合金的抗拉強度≥428MPa，屈服強度≥409MPa，延伸率≥10.1%，斷裂韌性（Kq值）≥21.3MPa?m1/2，鹽霧腐蝕（3.5% NaCl）速率≤0.56 mg·cm-2·d-1，燃點≥708℃。
4、Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的斷裂韌性和耐蝕性均優(yōu)于WE43合金，而阻燃性與WE43合金相當。
具體實施方式
下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
實施例1：
本實施例中，高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含的各組分及其質量百分比為：Gd：8.0%，Y：3.0%，Zn：1.0%，Zr：0.5%，其余為Mg和不可避免的雜質元素。該合金的具體制造方法按如下步驟進行：
一、按照質量百分比8.0% Gd、3.0% Y、1.0% Zn、0.5 % Zr和余量Mg的比例稱取純鎂、純鋅、Mg-Y中間合金、Mg-Gd中間合金和Mg-Zr中間合金；
二、將熔煉爐溫度升至800℃，在CO2+10vol%SF6混合氣體保護下加入步驟一準備的純Mg及純Zn錠；
三、待步驟二所加的純Mg及Zn錠完全熔化后，將爐溫降至760℃，依次加入Mg-Gd中間合金、Mg-Y中間合金和Mg- Zr中間合金，得到熔體；
四、將爐溫調節(jié)至740℃，去除表面渣料，在爐底通入預熱氬氣對熔體進行精煉，精煉15min使熔體純度提高；
五、升溫至750℃，在0.02MPa下將熔體轉入靜置爐中，靜置2h；
六、降溫至705℃，以42mm/min的速度對步驟五制得的熔體進行澆鑄，采用室溫冷卻水對鑄錠進行冷卻結晶，冷卻水壓力為0.02MPa，最終澆鑄得到直徑為170mm、長度為2.75m的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金大型鑄錠；
七、將鑄錠在500℃下均勻化處理12h，然后在80℃左右的溫水中淬火；
八、對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為390℃擠壓比為12:1，壓頭速率為0.1mm/s；
九、將擠壓態(tài)合金在200℃的溫度下進行等溫時效處理72h，時效完后樣品在80℃的溫水中淬火，得到目標合金。
本實施例所得合金的抗拉強度為465MPa，屈服強度為437MPa，延伸率為10.8%，具體見表1。
實施例2：
本實施例中，高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含的各組分及其質量百分比為：Gd：8.4%，Y：2.4%，Zn：0.6%，Zr：0.4%，其余為Mg和不可避免的雜質元素。該高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的制造方法為：先按照質量百分比8.4% Gd、2.4% Y、0.6% Zn、0.4 % Zr和余量Mg的比例稱取純鎂、純鋅、Mg-Y中間合金、Mg-Gd中間合金和Mg-Zr中間合金；之后按照實施例1中步驟二~六的方法對合金進行鑄造；然后將鑄錠在500℃下均勻化處理12h，在80℃左右的溫水中淬火；對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為400℃，擠壓比為12:1，壓頭速率為0.1mm/s；將擠壓態(tài)合金在200℃的溫度下進行等溫時效處理118h，時效完后樣品在80℃的溫水中淬火，得到目標合金，其性能見表1。
實施例3：
本實施例中，高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含的各組分及其質量百分比為：Gd：6.7%，Y：1.3%，Zn：0.6%，Zr：0.5%，其余為Mg和不可避免的雜質元素。該高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的制造方法為：先按照質量百分比由6.7% Gd、1.3% Y、0.6% Zn、0.5 % Zr和余量Mg的比例稱取純鎂、純鋅、Mg-Y中間合金、Mg-Gd中間合金和Mg-Zr中間合金；之后按照實施例1中步驟二~六的方法對合金進行鑄造；然后將鑄錠在510℃下均勻化處理8h，在80℃左右的溫水中淬火；對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為400℃，擠壓比為12:1，壓頭速率為0.1mm/s；將擠壓態(tài)合金在200℃的溫度下進行等溫時效處理84h，時效完后樣品在80℃的溫水中淬火，得到目標合金，其性能見表1。
實施例4：
本實施例中，高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含的各組分及其質量百分比為：Gd：8.4%，Y：0.8%，Zn：0.7%，Zr：0.6%，其余為Mg和不可避免的雜質元素。該高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的制造方法為：先按照質量百分比由8.4% Gd、0.8% Y、0.7% Zn、0.6% Zr和余量Mg的比例稱取純鎂、純鋅、Mg-Y中間合金、Mg-Gd中間合金和Mg-Zr中間合金；之后按照實施例1中步驟二~六的方法對合金進行鑄造；然后將鑄錠在510℃下均勻化處理8h，在80℃左右的溫水中淬火；對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為400℃，擠壓比為12:1，壓頭速率為0.1mm/s；將擠壓態(tài)合金在200℃的溫度下進行等溫時效處理84h，時效完后樣品在80℃的溫水中淬火，得到目標合金，其性能見表1。
實施例5：
本實施例中，高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含的各組分及其質量百分比為：Gd：7.1%，Y：2.0%，Zn：1.1%，Zr：0.5%，其余為Mg和不可避免的雜質元素。該高強Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的制造方法為：先按照質量百分比由7.1% Gd、2.0% Y、1.1% Zn、0.5% Zr和余量Mg的比例稱取純鎂、純鋅、Mg-Y中間合金、Mg-Gd中間合金和Mg-Zr中間合金；之后按照實施例1中步驟二~六的方法對合金進行鑄造；然后將鑄錠在510℃下均勻化處理8h，在80℃左右的溫水中淬火；對均勻化處理后的鑄錠進行反擠壓，控制擠壓溫度為400℃，擠壓比為12:1，壓頭速率為0.1mm/s；將擠壓態(tài)合金在200℃的溫度下進行等溫時效處理84h。時效完后樣品在80℃的溫水中淬火，得到目標合金，其性能見表1。
表1 實施例中各合金以及WE43（對比樣）的性能
本發(fā)明通過調整合金元素配比，僅用較少的稀土元素通過常規(guī)鑄造、擠壓及熱處理工藝獲得了綜合性能良好的變形鎂合金，其室溫抗拉強度為428~465MPa，屈服強度為409~437MPa，延伸率為10.1~14.4%，同時還具有良好的斷裂韌性、耐蝕性及阻燃性能。在保持合金強度的前提下，降低了合金成本。