CN101654755B

CN101654755B - 一种含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金

Info

Publication number: CN101654755B
Application number: CN2009101908662A
Authority: CN
Inventors: 王敬丰; 潘复生; 赵亮; 高珊
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: CN101654755A

Abstract

本发明公开了一种含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金，其特征在于该变形镁合金由Mg、Al、Zn、Y、Mn组成，各组分质量百分含量为：Al：2.9％～3.1％；Zn：0.9％～1.1％；Y：0.5％～2％；Mn：0.29％～0.31％，其余为Mg和不可避免的杂质。本发明能使高强度AZ系变形镁合金力学性能和阻尼性能都得到大幅度的提高，成功解决了镁合金力学性能与阻尼性能的矛盾，可满足高速列车、汽车、航空航天和国防军工等领域对高强高阻尼轻量化材料的实际需求。而且，本发明所用镁合金材料成本较低，工艺设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作。

Description

一种含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种添加稀土钇以提高合金强度和阻尼的镁合金材料。

背景技术

近年来，随着汽车工业、轨道交通、以及飞行器日趋轻量化、高速化和大功率化，对降低产品自重，提高便携性，降低能源消耗和减振降噪性等都提出了更迫切的要求。而传统的钢铁材料已经渐渐不能满足其需求，由此急需寻求一种密度小、强度高、阻尼性能好的金属结构材料。

在众多金属结构材料中，纯镁具有密度低、阻尼减振降噪能力强、比强度高、电磁屏蔽性能好等一系列优点，引起了人们的广泛研究。但纯镁力学性能较差，大大限制了其应用范围。一些镁合金虽然具有较高的强度，如AZ系、ZK系等镁合金，可以运用到工业生产，但其强化方式主要为固溶强化、细晶强化等，这些固溶进去的溶质原子和密集的晶界作为镁基面滑移位错的强钉扎点，导致阻尼性能大大降低，因而不能解决高速化和大功率化后所引起的振动和噪声问题。随着镁合金研究的发展以及应用领域的拓展，解决高强度AZ系、ZK系等变形镁合金力学性能和阻尼性能之间的矛盾，开发同时具有高阻尼和优良力学性能的镁基材料成为了一个急待解决的重要问题。

现在一般的思路是从高阻尼镁合金出发，主要通过添加合金元素和复合强化等手段来提高其力学性能，此类研究多集中于纯镁、镁锆合金、镁锰铜合金等高阻尼镁合金及其复合材料，但从目前的研究来看，仍然存在阻尼性能好但力学性能不够高、力学性能好但阻尼性能变差或者工艺复杂性能不稳定等问题，不能满足工程应用的要求。如CN1888108(专利号为200610010326.8)公开了一种“高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法”，为了解决镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾，提出了向纯镁中添加固溶度小的铜和硅等合金元素，减少位错弱钉扎点的数量，提高阻尼性能。添加锆和锰等细化晶粒的合金元素，提高合金力学性能，不仅对铸锭进行常规热挤压，还进行强烈塑性变形(ECAP，MDF)，调整晶粒取向，并得到超细晶组织，同时提高强韧性和阻尼性能。但应该看到该技术并没有得到预想的效果，只能使得抗拉强度和屈服强度达到212MPa和135MPa，阻尼性能Q^-1达到0.023；而且还存在材料性能未通过工业化生产的检验，且工艺复杂等问题。

参考现有文献，发现钇元素多是用来提高镁合金的耐蚀性和耐热性的，如N.Birbilis等在《Corrosion Science》(2009，51：683)上发表的《On the corrosionof binary magnesium-rare earth alloys》一文中就指出了稀土元素的加入可提高镁合金的防腐蚀性能。但稀土元素对镁合金力学性能和阻尼性能的综合影响却少有报道。CN1297676C(专利号为200410081258.5)公开了一种含稀土钇的高塑性镁合金，该镁合金由Mg、Zn、Zr、Y组成，其各组分质量百分含量为Zn：5.0～8.5％；Zr：0.6～0.8％；Y：0.7～2.0％，剩余部分为镁和不可避免的杂质。但它属于ZK系镁合金，虽然其在保持传统高强镁合金强度的基础上，能使其塑性大大提高，但由于其成本较高、且不能适用于大规模的商业应用，使用范围受到很大的局限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是解决现有AZ系商用镁合金存在力学性能和阻尼性能相矛盾的问题，提供一种成本较低，力学性能和阻尼性能都得到大幅度提高的新型AZ系商用镁合金材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，本发明所述含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金由Mg、Al、Zn、Y、Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Al：2.9％～3.1％；Zn：0.9％～1.1％；Y：0.5％～2％；Mn：0.29％～0.31％，其余为Mg和不可避免的杂质。

本发明镁合金较好的组成为，各组成成分质量百分含量为：Al：2.99％；Zn：1％；Y：0.5％；Mn：0.3％，其余为Mg和不可避免的杂质。

本发明不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1％。

本发明含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金，可按照通常的镁合金的冶炼方法得到，然后进行均匀化处理，最后在挤压机上进行热挤压，可加工出各种形状的镁合金产品。

相比现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明提高高强度变形镁合金力学性能和阻尼性能的效果明显：通过向AZ系商用高强度变形镁合金中加入稀土元素钇，能使高强度变形镁合金力学性能和阻尼性能都得到大幅度的提高，材料强度的提高可使安全承受范围内最大外载荷提高，有利于工业应用，而阻尼性能的大幅度提高有利于减震降噪，能满足汽车、列车及航空航天器高速化的要求。

2、本发明中，加入稀土元素钇后，镁合金中原有的β-Mg₁₇Al₁₂相消失，析出了新相Al₂Y，且晶粒明显长大。Al₂Y较β-Mg₁₇Al₁₂更弥散的分布到晶粒的内部，起到了良好的强化效果，使合金的屈服强度明显提高，另外由于稀土元素钇具有独特的核外电子排布，它的加入会改善镁合金液和熔渣的物理化学性质，诸如表面张力、流动性、粘度、夹杂溶解度等，有利于非金属夹杂的球化，提高镁合金液除杂效果，净化合金溶液，改善合金组织，因此也改善和提高了镁合金的力学性能。所以晶粒虽然明显长大，合金的屈服强度却反而上升，但晶粒的长大使位错运动的阻碍大为减少，使得合金的阻尼性能大大提高。

3、目前钇元素多是用来提高镁合金的耐蚀性和耐热性，而本发明将其运用到了改善力学性能和阻尼性能方面，并取得了良好的效果——阻尼性能和力学性能都得到了大幅度提升。本发明通过向AZ系商用高强度镁合金中添加稀土元素钇，在保证抗拉强度不变的情况下，屈服强度从185MP提高到了210MPa，提高了近14％；阻尼性能在应变振幅为5×10^-3时，从Q^-1＝0.055提到到了Q^-1＝0.093，提高了69％以上。成功解决了AZ系商用镁合金力学性能和阻尼性能的矛盾，可满足高速列车、汽车、航空航天和国防军工等领域对高强高阻尼轻量化材料的实际需求。

4、本发明属于AZ系镁合金，因不含锆元素，镁合金成本较低，为应用范围较广的商业镁合金；所采用的设备，包括熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，可移植性强，工艺简单成熟。

附图说明

图1是编号为A的镁合金挤压态微观组织金相照片(未添加稀土元素钇)；

图2是编号为B的镁合金挤压态微观组织金相照片；

图3是编号为C的镁合金挤压态微观组织金相照片；

图4是编号为D的镁合金挤压态微观组织金相照片。

具体实施方式

下面参照附图并结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下的实施例。

按照表1的配方，用镁合金通常的冶炼方法，即可得到本发明的含稀土元素钇的高强度高阻尼镁合金：

表1合金的化学成分

合金编号	Al(wt％)	Zn(wt％)	Mn(wt％)	Y(wt％)	Mg(wt％)
						A	3.1	1.1	0.31	-	基体
B	2.99	1.00	0.3	0.5	基体
						C	2.98	0.99	0.3	0.99	基体
D	2.9	0.9	0.29	2.0	基体

按上述配方，依照以下方法冶炼，就能得到本发明的镁合金：

1.熔炼：在半连续铸造设备上进行。首先加入纯镁，在700℃纯镁完全熔化后，加入Al-Mn中间合金和纯Zn，Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为9.8。待Al-Mn中间合金和纯Zn也完全熔化后再按合金编号为B、C和D中含稀土钇的质量百分比加入稀土元素钇(Y)，Y是以Mg-Y中间合金的形式加入的，其中Y的质量百分比30.29。加料后进行搅拌并继续加热到750℃，静置保温30分钟，之后降温至720℃浇铸，得到B、C、D含稀土的镁合金材料的铸棒。

取上述B、C、D含稀土的镁合金材料铸棒按下列步骤分别进行实验：

2.机加工：用车床车去铸棒表面的氧化皮；

3.均匀化处理；

4.热挤压：在挤压机上对铸棒进行热挤压，挤压比为25，挤压温度为400℃，挤压得到Φ16mm的棒材；

5.力学性能测试：根据GB/T228-2002将挤压棒材加工成标准拉伸试样，进行拉伸试验，测试出的力学性能见表2；

6.阻尼性能测试：用电火花线切割，将挤压棒材加工成45mm×5mm×1mm的尺寸，然后在动态机械分析仪(DMA)上进行阻尼测试，测试出的阻尼性能见表2.

表2挤压棒材的力学性能和阻尼性能

合金编号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％	Q^-1(振幅为5×10^-3)
					A	258	185	16.1	0.055
B	250	210	11.0	0.093
					C	254	206	11.2	0.083
D	256	205	12.4	0.078

由表2可以看出，加入稀土元素钇后，合金抗拉强度变化不大，但合金的屈服强度有了较大的提高，尤其是合金B，相对于未添加稀土元素钇的镁合金，屈服强度提高了近14％。另外合金的阻尼性能更是有了大幅度的提升，在应变振幅为5×10^-3时，未添加稀土元素钇的镁合金的阻尼值Q^-1＝0.055，而合金B的阻尼值高达Q^-1＝0.093，提高了69％以上。虽然延伸率由于钇元素的加入有了一些下降，但仍然保持在11％以上，对塑性并没有大的影响。

图1到图4为A、B、C、D四种合金的挤压态显微组织照片。从图中可以看出，随着Y含量的增加，合金的晶粒逐渐增大，晶粒的长大使位错运动的阻碍大为减少，使得合金的阻尼性能大大提高，另外，添加Y元素后，合金晶粒内部有点状的析出物析出，这些析出物是Al₂Y，它的弥散强化作用使得合金的屈服强度有了较大的提高。

通过上述实施例可知：普通商业高强度变形镁合金通过本发明所述的添加稀土元素钇后，能使得力学和阻尼性能都得到大幅度的提升，本发明所述的高强度高阻尼变形镁合金应用范围广泛，可满足高速列车、汽车、航空航天和国防军工等领域对高强高阻尼轻量化材料的实际需求。而且，本发明所用镁合金材料成本较低，工艺设备为常规通用设备，可移植性强，且易于操作。

Claims

1.一种含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金，其特征在于，所述镁合金由Mg、Al、Zn、Y、Mn组成，各组成成分质量百分含量为：Al：2.9％～3.1％；Zn：0.9％～1.1％；Y：0.5％～2％；Mn：0.29％～0.31％，其余为Mg和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的含稀土钇的高强度高阻尼变形镁合金，其特征在于，所述镁合金各组分质量百分含量为：Al：2.99％；Zn：1％；Y：0.5％；Mn：0.3％，其余为Mg和不可避免的杂质。