CN101805864A - 高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，其特征在于，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值：Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5，余量为镁。为了解决镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾，本发明提出在高阻尼Mg-Cu-Mn合金中加入Zn和Y元素，以便使Mg、Zn、Y在合金中形成准晶和/或长周期相，这些准晶或长周期相会在镁基体中引入大量新的可动位错，通过这些在镁基体中新增加的可动位错来提高镁合金的阻尼性能，然后对合金进行常规热挤压，提高合金的力学性能。本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本较低，解决了Mg合金由于阻尼性能高但力学性能低而限制其应用的难题。

Description

高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及既具有高阻尼特性又能改善其力学性能的镁合金材料技术，特别是一种高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，所述合金是一种五元镁合金，包括Mg、Cu、Mn、Y和Zn五种合金元素，所述高阻尼是指材料能够达到的阻尼值≥0.01，所述高强是指材料能够达到的抗拉强度≥300MPa。

背景技术

现代武器装备发展的日趋轻量化、高速化和大功率化，由此引起的振动和噪声问题变得尤为突出。此外，各种交通工具、3C产品(Computer、Communication、Consumption Electronics Products)对结构轻量化和减振降噪性提出了更为迫切的要求。因此，低密度、高比强度、高阻尼金属结构材料是航空航天、新型武器装备及现代工业发展中紧迫的材料需求之一。镁是最轻的商用金属结构材料，满足轻量化的需求，镁同时也是阻尼性能最好的金属材料，满足减振降噪的需求。纯镁阻尼性能优良(比阻尼系数＞60％)，但强度太低。而镁合金(Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr)强化机制主要为固溶强化、析出强化等，但溶质原子和析出相对镁基面位错滑移的强钉扎导致阻尼性能大大降低(比阻尼系数5～10％)。解决镁合金阻尼性能和力学性能之间的矛盾是一个亟待解决的重要问题。

日本学者Nishiyama在《Journal of Alloys and Compounds》(2003，335：22)上发表的《Damping properties of a sintered Mg-Cu-Mn alloy》一文中提出，通过利用粉末冶金技术制备的CM31(Mg-3wt.％Cu-1wt.％Mn)烧结合金，断裂强度达到了290Mpa，阻尼性能在高应变阶段甚至超过了纯Mg，引起了广泛关注。然而，由于制备成本较高、性能不稳定、耐腐蚀性差，从而限制了该合金的应用范围。

镁合金的密排六方晶体结构中，具有多个滑移系和多种滑移方式，但是在合金化元素的固溶强化和析出强化中所产生的位错钉扎现象破坏了形成阻尼所依赖的原有的位错机制。发明人认为，如果镁合金中的合金元素不仅能够形成固溶强化和析出强化机制，而且能够同时在镁基体中形成大量新的可动位错，则可以通过这些在镁基体中新增加的可动位错来保持镁的阻尼性能，或者说提高镁合金的阻尼性能，从而达到其力学性能和阻尼性能平衡优化的技术效果。

因此，选择在镁中添加多种合金元素得到一种多元化镁合金体系，采用常规设备获得其铸态合金并将铸态合金加工成挤压态合金，从而解决镁合金阻尼性能和力学性能之间的矛盾，拓展镁合金的商业化应用范围，有效提高其市场竞争力，成为了本发明人的研发课题。本发明人经过大量的实验研究，完成了本发明。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，所述合金是一种五元镁合金，包括Mg、Cu、Mn、Y和Zn五种合金元素，所述高阻尼是指材料能够达到的阻尼值≥0.01，所述高强是指材料能够达到的抗拉强度≥300MPa。所述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工而成的挤压态合金，工艺简单，成本低廉，能够达到其力学性能和阻尼性能平衡优化的技术效果。

本发明人经过大量的实验研究后认为：Mg、Zn和Y能够在镁合金中形成准晶和/或长周期相，这些准晶或长周期相会在镁基体中引入大量新的可动位错，因此既兼顾了固溶强化和析出强化机制，又通过这些在镁基体中新增加的可动位错来提高镁合金的阻尼性能，从而能够解决镁合金阻尼性能和力学性能之间的矛盾。

本发明的技术方案如下：

高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，以高阻尼的Mg-Cu-Mn合金为基础，向其中添加一定范围的Y和Zn元素，包括以下合金化元素成份及其百分比重量含量值：Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5，余量为镁。

所述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在镁合金中与Mg一起形成了准晶和/或长周期相，这些准晶和/或长周期相在镁基体中引入了新的可动位错，可以保证合金在经过挤压后力学性能大幅提高的同时，仍然具有较好的阻尼性能。

上述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，采用真空熔炼、精炼、浇铸得到合金铸锭；然后对合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度380℃±10℃，时间12～18小时；最后挤压成挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度350℃±10℃，挤压比为20-25，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定。

所述Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中来源于原料的杂质元素成份及其百分比重量含量值控制如下：Si和Fe的总量值≤0.1。

所述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金不是粉末冶金，而是通过熔炼浇铸得到铸态合金后挤压加工而成的挤压态合金。

所述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在镁合金中与Mg一起形成了准晶和/或长周期相，这些准晶和/或长周期相在镁基体中引入了新的可动位错，从而提高了镁合金的阻尼性能。

上述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，包括配料步骤，所述配料采用工业纯镁原料、纯Zn原料、Mg-Cu中间合金原料、Mg-Mn中间合金原料和Mg-Y中间合金原料。

所述工业纯镁，其镁含量的质量分数大于99.9％；所述纯Zn，其Zn含量的质量分数大于99.9％；所述Mg-Cu中间合金，其重量成分为Mg-30％Cu；所述Mg-Mn中间合金，其重量成分为Mg-4.1％Mn；所述Mg-Y中间合金，其重量成分为Mg-30.30％Y。

还包括熔炼步骤，所述熔炼是指先在保护气氛下完全熔化工业纯镁原料，再加入纯Zn原料、Mg-Cu中间合金原料、Mg-Mn中间合金原料和Mg-Y中间合金原料，并完全熔化，然后进行精炼处理。

还包括浇铸成铸态合金并进行均匀化处理的步骤和挤压成挤压态合金的步骤，所述浇铸成铸态合金是指将精炼处理后的液态合金浇铸成铸锭；所述均匀化处理采用的工艺参数为：温度380℃±10℃，时间12～18小时。

所述挤压成挤压态合金采用的工艺参数为：挤压温度350℃±10℃，挤压比为20-25，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定。

本发明的技术效果如下：

高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，其特征在于，包括Mg和分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值：Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5。为了解决镁合金的阻尼性能与力学性能的矛盾，本发明提出在高阻尼Mg-Cu-Mn合金中加入Zn和Y元素，以便使Mg、Zn、Y在合金中形成准晶和/或长周期相，这些准晶或长周期相会在镁基体中引入大量新的可动位错，通过这些在镁基体中新增加的可动位错来提高镁合金的阻尼性能，然后对合金进行常规热挤压，提高合金的力学性能。由于准晶或长周期相在镁基体中引入了大量新的可动位错，可以保证合金在经过挤压后力学性能大幅提高的同时，仍然具有较好的阻尼性能，从而解决镁合金阻尼性能和力学性能之间的矛盾。本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本较低，解决了Mg合金由于阻尼性能高但力学性能低而限制其应用的难题。

本发明的一种高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，以高阻尼Mg-Cu-Mn合金为基础，添加少量的Y，Zn元素提高以提高阻尼性能和力学性能。本发明所涉及的含Y，Zn元素的Mg-Cu-Mn合金在铸态下具有优良的阻尼性能(Mg-2.2wt.％Cu-0.8wt.％Mn-1.5wt.％Zn-0.5wt.％Y合金在高应变阶段阻尼性能超过Mg-3wt.％Cu-1wt.％Mn铸态合金并接近纯镁)，经过挤压后力学性能大幅提高且仍具有高阻尼特性。本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，成本较低，解决了Mg合金由于阻尼性能高但力学性能低而限制其应用的难题。

本发明首先通过在CM31(Mg-3wt.％Cu-1wt.％Mn)合金中添加0.3～4.0wt.％Y和1.0～5.5wt.％Zn元素提高其阻尼性能，因为Mg，Zn，Y可能会在合金中形成准晶或长周期相，这些准晶或长周期相会在基体中引入大量新的可动位错，提高合金的阻尼性能。然后通过对铸态合金进行挤压变形大幅提高合金的力学性能。挤压后尽管合金的阻尼性能有损失，但挤压态合金仍然具有高阻尼特性，并且力学性能较铸态得到大幅提高。

本发明中，Zn的加入可以提高合金力学性能，因为Zn元素在Mg合金中具有较好的固溶强化效果。Y的加入可以细化晶粒，提高合金力学性能。此外，Mg，Zn，Y可能会在合金中形成准晶或长周期相，这些准晶或长周期相会在基体中引入大量新的可动位错，提高合金的阻尼性能。将铸态Mg-Cu-Mn合金进行380℃×15h的均匀化处理后，在350℃进行挤压塑性变形，大幅提高合金的力学性能。挤压后尽管合金的阻尼性能有损失，但挤压态合金仍然具有高阻尼特性，并且力学性能较铸态得到大幅提高。

相比现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明所涉及的阻尼Mg合金具有高阻尼特性，在金属阻尼材料的研究中，一般认为材料的阻尼值超过0.01，就可以认为是高阻尼材料。此外该合金也具有较高的力学性能，其中挤压态Mg-2.2wt.％Cu-0.8wt.％Mn-1.5wt.％Zn-0.5wt.％Y合金的室温抗拉强度为315MPa，屈服强度为267MPa，延伸率为9％，而挤压态Mg-2.4wt.％Cu-1.0wt.％Mn-4.7wt.％Zn-1.9wt.％Y合金的合金室温抗拉强度为347MPa，屈服强度为386MPa，延伸率为2.6％，能够满足各种减振系统对轻合金，特别是阻尼镁合金的需求。

2、相对于烧结镁铜锰合金所采用的粉末冶金技术设备，本发明所采用的普通冶炼技术设备，具有通用性广，可移植性强，工艺简单成熟，容易实现等优点。

具体实施方式

在“高阻尼高强多元化镁合金体系”的研究与开发中，总的技术构思是，通过在镁基中调整各协同作用的合金化元素及其含量以获得镁合金在力学性能和阻尼性能平衡优化的技术效果，从而解决镁合金阻尼性能和力学性能之间的矛盾。

具体实施方式一：本实施方式的高阻尼高强镁合金为Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，各组分的重量百分比为：Cu＝2.2％，Mn＝0.8％，Y＝0.5％，Zn＝1.5％，不可避免的杂质为Si、Fe，其总量＜0.1％，余量为镁。将纯度大于99.9％的工业纯镁放入预热至300℃陶瓷坩埚中加热熔化，通入氩气进行保护，在700℃按照重量百分比Cu＝2.8％，Mn＝0.9％，Y＝0.5％，Zn＝1.5％添加合金元素。其中Cu，Mn，Y，Zn分别以Mg-30wt.％Cu中间合金、Mg-4.1wt.％Mn中间合金、Mg-30.30wt.％Y中间合金、纯Zn形式加入。继续升温到850℃，保温并搅拌使中间合金充分熔化，待合金全部融化后在850℃保温下3分钟；加精炼剂进行3分钟精炼处理，精炼完后再次在750℃下静置10分钟，然后进行浇铸。镁合金的性能见表1

具体实施方式二：将所熔炼的镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度380℃，时间15小时。均匀化处理后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为350℃，挤压比为20-25，挤压速度恒定。镁合金的性能见表1，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1HZ条件下的室温阻尼性能。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，纯镁熔化并升温至700℃后，按照重量百分比Cu＝2.4％，Mn＝1.0％，Y＝1.9％，Zn＝4.7％添加合金元素。镁合金的性能见表1，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1HZ条件下的室温阻尼性能。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，对镁合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度380℃，时间15小时。均匀化处理后，对镁合金铸锭进行常规热挤压，挤压温度为350℃，挤压比为20-25，挤压速度恒定。镁合金的性能见表1，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1HZ条件下的室温阻尼性能。

表1高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的力学性能与阻尼性能

应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (3)

1.高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值：Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5，余量为镁。

2.根据权利要求1所述的高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，所述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在镁合金中与Mg一起形成了准晶和/或长周期相，这些准晶和/或长周期相在镁基体中引入了新的可动位错，可以保证合金在经过挤压后力学性能大幅提高的同时，仍然具有较好的阻尼性能。

3.上述高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，采用真空熔炼、精炼、浇铸得到合金铸锭；然后对合金铸锭进行均匀化处理，其工艺参数为：温度380℃±10℃，时间12～18小时；最后挤压成挤压态合金，其中采用的工艺参数为：挤压温度350℃±10℃，挤压比为20-25，在挤压机上进行挤压，挤压速度恒定。