本发明涉及轻质合金，尤其涉及一种稀土镁合金及其制备方法和应用。
背景技术：
1、高性能轻质材料在保持优异性能的同时控制材料的质量，其在航天领域应用广泛。其中，镁合金因密度小、比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减震性能好等优点，广泛应用于航天领域。镁合金制件在保证结构强度之余，兼具良好的导热、减震、高模量等特性，可以极大的简化功能设计、提高航天部件的整体水平。镁合金制件大型化、大尺寸构件的轻量化、结构功能一体化是未来航天工业技术的整体进步的重要发展趋势。
2、在镁合金制件中，mg-zn体系传统镁合金应用较为广泛，但该类合金存在强度、塑性、耐蚀、耐热等固有性能较差的缺点。对其改进的有效措施之一是优化合金成分和工艺，其中稀土是用于优化合金成分的最具实用价值和发展潜力的合金元素。在镁合金中加入稀土元素la、ce等能够明显细化组织晶粒大小，提高镁合金的耐腐蚀性能和力学性能。因此，通过稀土元素的添加改善镁合金性能深受广大研究人员关注。
3、专利cn200910064645.0公开了一种稀土镁合金，该稀土镁合金是由以下质量百分比的组分组成：5～6％al，0.6～2.4％y，0.3～1.2％nd，1.2～4.8％gd，杂质元素fe、cu和ni的总量小于0.02％，余量为mg；同时还公开了该稀土镁合金的制备方法。所述稀土镁合金的室温抗拉强度为244 mpa、延伸率为9.0％，并具有较好的耐高温性能，但是所述稀土镁合金中稀土含量高，使得不仅成本高，还导致其抗拉强度随稀土含量提升已经非常有限，难以满足新一代航天器对轻质材料的需求。
4、专利cn201410250496.8公开了一种mg-zn-re-zr系镁合金的制备方法，包括以下步骤：1)、将mg源、zn源、y源、gd源、la源和zr源熔化，得到合金液；2)、将所述合金液进行浇铸，得到铸态合金，所述浇铸时的浇注温度为690℃～720℃；3)、将所述铸态合金进行退火处理，得到mg-zn-re-zr系镁合金，所述退火处理的温度为230℃～320℃。其制备得到了以y、gd、la为主（三者总量为1.1%~2.5%）的力学性能较好且直径尺寸较大的mg-zn-re-zr系镁合金，但其也存在抗拉强度较差的问题。
5、专利cn202210421841.4公开了一种超高塑性mg-re-zr镁合金及其变形材制备方法，所述镁合金按重量百分比计由以下成分组成：稀土元素re0.1％～7.0％，zr0.1％～1.0％，其余为mg，稀土元素为y、tb、dy、ho、er、tm、yb中的一种，其表现出超高室温塑性，其合金力学性能较差，抗拉强度和屈服强度均较低，难以满足航天用器件的强度要求。
6、因此，研究开发一种新型的轻质稀土镁合金对于航天领域轻质化材料的应用具有重要意义。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种稀土镁合金及其制备方法和应用。所述稀土镁合金的抗拉强度得到显著提高，且延展性良好。
2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
3、本发明提供了一种稀土镁合金，包括以下成分：
4、zn：6.0~8.0 %，y：0.5~2.5 %，re：0.05~0.33 %，zr：0.30~0.60 %，其余为镁及不可避免的杂质；
5、其中，re选自nd、gd、sm中的一种或多种；
6、y:re = 10:（1~1.5）。
7、上述稀土镁合金可表示为mg-zn-re-zr稀土镁合金。
8、所述稀土镁合金中zn含量优选为6.5%~8.0 %；更优选为6.5%~7.0 %；进一步优选为6.5%或7.0%或8.0%。
9、所述稀土镁合金中y 含量优选为1.2%~2.5 %；更优选为1.2%~1.5 %；进一步优选为1.2%或1.5 %。
10、所述稀土镁合金中re含量优选为0.12%~0.33%；更优选为0.12%~0.15%；进一步优选为0.12%或0.15 %。
11、所述稀土镁合金中zr 含量优选为0.40%~0.60 %；更优选为0.40%~0.45 %；进一步优选为0.40%或0.45%。
12、所述不可避免的杂质包括但不限于fe、si、cu、ni等，且总杂质含量不超过0.1 %。
13、本发明所述的稀土镁合金中zn含量影响合金的力学性能、耐蚀性能和加工性能。因为，zn与镁形成固溶体或析出相，上述范围内的zn含量能更好的强化合金，提高合金的抗拉强度、屈服强度和硬度等力学性能。同时，上述含量范围内的zn还改善了高温、潮湿或化学腐蚀环境中镁合金的耐蚀性能，降低了合金的腐蚀率。此外，zn的加入也改善了镁合金的热处理响应，进而调节了合金的组织和性能。当zn含量低于6.5%时，其对合金的强度提高较小；当zn过高大于8%时，会导致合金热裂倾向提高、塑性下降。因此，本发明所述合金采用锌元素范围优选为6.5%~8.0 %，更优选为6.5%~7%。当zn含量为6.5%~7%时，其对合金的强化作用最佳，使得合金性能最优。
14、本发明所述的稀土镁合金中re具有多种作用：与镁形成固溶体，改善合金力学性能；
15、细化稀土镁合金的晶粒，提高显微组织的均匀性和稳定性；
16、改善稀土镁合金的耐腐蚀性能；
17、提高稀土镁合金的热稳定性；
18、其中，re选自nd、gd、sm中的一种或多种。
19、根据多元微合金化作用，re的添加降低了主强化元素y在镁合金中的固溶度，提高了y析出效率，以此获得了优秀的力学性能并保持了良好的塑性。所述re含量为0.05%~0.25%，优选为0.12%~0.25 %；所述y含量为0.5%~2.5 %，优选为1.2%~2.5 %。并且，所述合金中的re会优先固溶于镁合金基体之中，造成y元素在相变过程中优先析出，使其在总量不变的情况下提高析出相形核密度和析出效率，进而强化效果。同时，多元微合金化效果使多种稀土元素y和re的固溶度整体降低，从而进一步提高析出效率，并且所述re与y在一定范围的搭配比例10：（1~1.5）下具有优异的析出效率。
20、上述的稀土镁合金中y通过固溶强化和析出强化的orwan效应提高所述稀土镁合金的强度和硬度。y形成的mg-y相具有高温稳定性，其提高了镁合金的热稳定性，使其在高温环境下保持良好的性能。并且，y作为晶界强化元素，抑制了镁合金晶粒的生长，细化和优化了合金组织。此外，y还改善了镁合金的耐蚀性能，使其具有更好的耐蚀性。当y低于0.5 %时，析出强化作用不明显；当y过高，合金orwan效应过强，塑性显著降低，因此本发明所述的y含量为0.5%~2.5 %，并且当y优选为1.2%~2.5 %时，mg-y相稳定性更佳，对所述稀土镁合金晶粒的生长抑制作用更强，能得到更细小更优化的合金组织。
21、所述合金的主要析出相为mg-zn、mg-zn-y相，其中mg-zn-y相中存在一定程度re对y的部分置换。通过re对y的部分置换，使mg-zn-y相破碎均匀，降低了析出相mg-zn-y相的长大速率，导致析出相mg-zn-y相尺寸缩小，并且得到部分mg-zn-re相，所述mg-zn-re相较破碎圆整，mg-zn相更细小弥散，这带来了多元稀土合金化的改良作用，进而进一步提高了所述稀土镁合金的强度与塑性。
22、当re含量更优选为0.12%~0.15%，y含量更优选为1.2%~1.5 %，re与y含量为10:1时，所述稀土镁合金能达到最高的析出效率，使得合金力学性能最优且保持了良好的塑性。
23、本发明所述的稀土镁合金中zr不仅可细化合金晶粒，减小了晶粒尺寸，提高了合金的塑性和韧性，还强化了固溶和析出，进而增强了稀土镁合金的力学性能。当zr含量优选为0.40%~0.60 %，更优选为0.40%~0.45 %时，所述的细化晶粒作用、强化固溶和析出作用更强。
24、所述稀土镁合金（mg-zn-re-zr合金）的显微组织包括多种相的共存和相互作用，这些共同影响了合金的力学性能。本发明更优选的，所述稀土镁合金的包括以下成分：
25、zn：6.5~7.0 %，y：1.2~1.5 %，re：0.12~0.15 %，zr：0.40~0.45 %，其余为镁及不可避免的杂质；
26、其中，re选自nd、gd、sm中的一种或多种；
27、y:re = 10:（1~1.1）。
28、本发明更优选的，所述y:re = 10:1。
29、本发明更优选的，所述re选自nd、gd和sm。
30、本发明进一步优选的，所述稀土镁合金包括以下成分：
31、zn：6.0%，y：0.5%，nd：0.02%，gd：0.02%，sm：0.01%，zr：0.30%，其余为镁及不可避免的杂质；
32、或者，zn：6.0%，y：1.0%，nd：0.04%，gd：0.04%，sm：0.02%，zr：0.40%，其余为镁及不可避免的杂质；
33、或者，zn：6.5%，y：1.2%，nd：0.05%，gd：0.05%，sm：0.02%，zr：0.40%，其余为镁及不可避免的杂质；
34、或者，zn：6.5%，y：1.5%，nd：0.07%，gd：0.06%，sm：0.02%，zr：0.40%，其余为镁及不可避免的杂质；
35、或者，zn：7.0%，y：1.5%，nd：0.06%，gd：0.07%，sm：0.02%，zr：0.45%，其余为镁及不可避免的杂质；
36、或者，zn：8.0%，y：2.5%，nd：0.10%，gd：0.10%，sm：0.05%，zr：0.60%，其余为镁及不可避免的杂质。
37、上述稀土镁合金中，稀土元素y与稀土元素nd、gd、sm之和的质量比均为10：1。并且，上述稀土合金中的稀土元素总量（y、nd、gd、sm含量之和）分别为0.55%或1.1%或1.32%或1.65%或2.75%。力学性能测试表明上述稀土镁合金的抗拉强度分别为365 mpa、372 mpa、381 mpa、385 mpa、392 mpa或385 mpa，延伸率分别为15.5%、15.7%、16.0%、14.9%、12.2%或12.0%。这表明，合金的成分设计对其性能影响极大。
38、将上述的稀土镁合金热处理，可以得到具有良好的塑性和加工性能的合金材料，将所述稀土镁合金用于各种形状的零件和构件的制备，满足轻质、高强度的要求。
39、通过上述合金成分的设计，提高了合金析出相的形核密度，增加了析出效率，使得稀土镁合金的微观组织形貌得到改善，mg-zn-re相比较破碎圆整，且mg-zn相更加细小弥散，最终实现了性能上的强韧化协调，显著提高了稀土镁合金的强度，降低了塑性损失。
40、本发明还提供了上述的稀土镁合金的制备方法，包括以下步骤：
41、1）将镁锭、锌锭、镁稀土中间合金和熔剂混合熔化，升温，静置得到第一熔体；
42、2）将上述第一熔体升温后和镁锆中间合金混合熔化，静置得到第二熔体；
43、3）将上述第二熔体精炼后与熔剂混合、保温静置，得到第三熔体；
44、4）将第三熔体进行浇铸、冷却得到所述稀土镁合金；
45、所述镁稀土中间合金选自mg-y合金和mg-re合金，其中re选自nd、gd、sm中的一种或多种；
46、所述镁锆中间合金选自mg-zr合金，其中zr含量为20%~35%。本发明优选的，所述步骤1）中升温的温度为700℃～760 ℃；
47、优选的，所述步骤2）中升温的温度为730℃～780 ℃。
48、优选的，所述步骤3）中精炼的温度为730℃～780 ℃。
49、所述熔剂包括但不限于用于镁合金熔炼的#6熔剂等。
50、优选的，所述步骤4）中浇铸的温度为680℃～720 ℃；
51、优选的，所述步骤4）冷却的温度为200℃以下。
52、上述制备方法通过对第一熔体、第二熔体、第三熔体制备时反应条件的控制，使得所述稀土镁合金的组织得到了进一步的细化和优化，降低了合金组织缺陷，进而提高合金性能。
53、本发明还提供了上述的稀土镁合金在航空航天、轨道交通、电子产品中的应用。
54、与现有技术相比，本发明提供的稀土镁合金包括以下成分，zn：6.0~8.0 %，y：0.5~2.5 %，re：0.05~0.33%，zr：0.30~0.60 %，其余为镁及不可避免的杂质；其中，re选自nd、gd、sm中的一种或多种；y:re = 10:（1~1.5）。本发明通过合金组分的设计提高了合金析出相的形核密度和析出效率，强化了合金主要析出相，降低了合金缺陷，有效细化和优化了析出相，改善了合金微观组织形貌，显著提高了稀土镁合金的强度和塑性。并且，所述制备方法简单高效、成本低，适合大规模工业化生产，为航空航天等相关产业的轻量化材料制备提供了新思路。
1.一种稀土镁合金，其特征在于，包括以下成分：
2.根据权利要求1所述的稀土镁合金，其特征在于，所述稀土镁合金的包括以下成分：
3. 根据权利要求2所述的稀土镁合金，其特征在于，所述y:re = 10：1。
4.根据权利要求1~3任一项所述的稀土镁合金，其特征在于，所述re选自nd、gd和sm。
5.根据权利要求1所述的稀土镁合金，其特征在于，所述稀土镁合金包括以下成分：
6.权利要求1~5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：
7. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中升温的温度为700℃～760 ℃；
8. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中精炼的温度为730℃～780 ℃。
9. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中浇铸的温度为680℃～720 ℃；
10.权利要求1~5任一项所述的稀土镁合金在航空航天、轨道交通、电子产品中的应用。
