CN103484742A - 高强度阻尼镁合金 - Google Patents

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付彭怀
高菲
彭立明
王迎新
蒋海燕
丁文江
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Abstract

本发明公开了一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金的组分及其质量百分比为:14~18wt.%Gd,0.2~5wt.%Y,0.6~2wt.%Al,0~0.1wt.%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小0.02wt.%,余量为Mg。本发明通过加入A1元素与Gd、Y等稀土元素(RE)在合金中原位反应生成Al-RE金属间化合物的方法达到晶粒细化的目的,所获得的镁合金晶粒热稳定好,具有优良的强度和延伸率;通过引入Al-RE金属间化合物与镁基体的界面阻尼机制,合金同时具有良好的阻尼性能,是一种高强度阻尼镁合金。该种高强度阻尼镁合金可以通过常规铸造和塑性加工成型,成型性能优良。

Description

高强度阻尼镁合金
技术领域
本发明涉及一种金属结构材料领域的镁合金及其制备方法,具体地说,涉及的是一种高强度阻尼镁合金。
背景技术
作为最轻的金属结构材料,镁合金具有比强度、比刚度高,减震性好等优点。近年来,镁合金广泛应用于航空航天、军工、交通、3C领域等。在所有的轻金属材料中,纯镁具有最优的阻尼性能,但是纯镁的强度太低,不能作为阻尼结构材料直接使用。为了开发具有一定力学性能的高阻尼镁基材料,需要在纯镁中添加某些合金元素或增强相,在保持镁高阻尼性能的同时,赋予其较高的力学性能,使其成为综合性能良好的高阻尼金属材料。
目前,关于提高镁合金强度的研究较多,而针对镁合金阻尼性能的研究则相对较少,由于镁合金的阻尼机制主要为位错阻尼,因此通常镁合金的力学性能和阻尼性能是相互矛盾的:镁合金强度越高,其位错运动越困难,合金的阻尼性能越差。为此,迫切需要找到解决这一矛盾的方法。现在阻尼镁合金开发的一般思路是在高阻尼镁合金的基础上,通过添加合金元素和复合强化等手段来提高其力学性能:在合金化过程中,固溶强化和析出强化中产生的位错钉扎现象在提高合金力学性能的同时,会严重弱化合金的阻尼性能;而采用复合强化手段则在保留合金强度和阻尼性能的同时,显著降低了材料的成型性,提高了材料的生产成本。本发明中,申请人从目前高强度稀土镁合金入手,通过引入第二相颗粒与镁基体的界面阻尼机制,在保留镁稀土合金高强度的同时提高了其阻尼性能,开发出了一种高强度中等阻尼性能的镁稀土合金。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种高强度阻尼镁合金。本发明通过加入A1元素与Gd、Y等稀土元素(RE)在合金中原位反应生成A1-RE金属间化合物的方法达到晶粒细化的目的,所获得的镁合金晶粒热稳定好,具有优良的强度和延伸率;通过引入Al-RE金属间化合物与镁基体的界面阻尼机制,合金同时具有良好的阻尼性能,是一种高强度阻尼镁合金。该种高强度阻尼镁合金可以通过常规铸造和塑性加工成型,成型性能优良。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金包含如下重量百分比的各组分:
Gd   14~18%,
Y    0.2~5%,
Al   0.6~2%,
Zr   0~0.1%,
杂质小于0.02%,
余量为镁。
优选地,所述杂质包括如下各组分:Si、Fe、Cu和Ni。
本发明还公开了前述的高强度阻尼镁合金的制备方法,所述方法包括:铸造合金包括熔炼和热处理两个工艺工序;变形合金包括熔炼、热挤压和热处理三个工艺工序;其中,
所述的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行,步骤如下:
(1)烘料:将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y中间合金200℃预热3小时以上;
(2)熔镁:将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化;
(3)加Gd和Y:往720℃的镁液中加入Mg-Gd中间合金,加入量根据该中间合金Mg-Gd中Gd所占质量百分比和所制备镁合金的总质量确定;待Mg-Gd中间合金熔化后,熔体温度回升至730℃时加入Mg-Y中间合金,加入量根据该中间合金Mg-Y中Y所占质量百分比和所制备镁合金的总质量确定;
(4)加Al:待Mg-Y中间合金完全熔化后,熔体温度回升至720℃时加入0.6~2wt.%纯Al;
(5)加Zr:待纯Al完全熔化后,熔体温度回升到730℃时加热含0~0.1wt.%Zr的Mg-Zr中间合金;
(6)铸造:待Mg-Zr中间合金完全熔化后,熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟,然后熔体温度升至750℃时不断电精炼2~6分钟,精炼后升温至780℃静置25分钟,静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣,浇铸成合金锭,浇铸用钢制模具预先加热至200℃;
所述热挤压工艺为:
挤压前分别对模具和坯料400~500℃预热2小时后进行热挤压,挤压比定为9,挤压速率为1.0mm/s。
所述的热处理工艺工序为:
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在525℃下进行10小时的固溶处理,而后在25℃水中淬火,随后在225℃下进行36小时的单级时效处理,最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
其中,上述制备方法中Mg-Gd中间合金中Gd占25wt.%,Mg-Y中间合金中Y占25wt.%,Mg-Zr中间合金中Zr占30wt.%。
本发明采用Gd(钆)为第一组分,因为200℃时Gd在镁中的固溶度为3.82wt.%,为保证合金得到良好的固溶强化和时效硬化效果,Gd加入量不能过低;同时由于引入Al-RE金属间化合物会占用部分稀土元素,因此,与比常规高强度镁稀土合金(Mg-Gd-Y-Zr)相比,本发明合金中Gd含量较高,根据实验研究结果,Gd元素的加入量为14~18wt.%。
本发明采用Y(钇)为第二组元,Y可以使得Gd在Mg中的固溶度略微降低,从而提高Gd元素的时效硬化效果,但是加入过多的Y元素会推迟时效硬化峰的出现,并降低合金的塑性,根据实验结果,Y元素的含量需要控制在0.2~5wt.%。
本发明选用A1(铝)为第三组元,A1与稀土元素Gd、Y可形成A1-RE金属间化合物,部分金属间化合物在凝固过程中作为Mg基体的异质形核核心,起到细化晶粒、提高合金力学性能的效果;另外一部分Al-RE金属间化合物则分布在晶界上,可以阻碍晶界的运动,提高晶粒的热稳定性;上述两部分Al-RE金属间化合物都可引入界面阻尼机制,改善合金的阻尼性能。由于Al元素优先固溶在镁基体中,因此加入少量A1元素不会形成A1-RE颗粒或者形成的颗粒较少,达不到理想的细化效果;而A1含量过多又会消耗过多的稀土元素,提高合金成本,因此A1元素含量控制在0.6~2wt.%。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明通过合金成分优化配比,在常规镁合金位错阻尼机制的基础上,通过引入Al-RE金属间化合物和镁基体之间的界面阻尼机制,在现有高强度镁稀土合金(Mg-Gd-Y-Zr)的基础上,实现材料高强度的同时,使其阻尼性能得到了显著的提高,获得了一种高强度中等阻尼性能的新型镁稀土合金。
(2)本发明制得的镁合金在保留传统高强度镁稀土合金(Mg-Gd-Y-Zr)高强度的同时,其较传统合金的比阻尼性能(SDC)提高了20~60%;同时还保留了传统高强度镁稀土合金(Mg-Gd-Y-Zr)优良的可成型性能,可以采用常规铸造和塑性加工成型。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金的组分及其质量百分比为:17.5wt.%Gd、0.4wt.%Y、1wt.%Al,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.%,余量为Mg(wt.%是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比,总质量为Mg、Al和各种中间合金的质量和)。
本实施例还涉及前述的高强度阻尼镁合金的制备方法,所述方法包括熔炼和热处理两个工序:
其中,熔炼工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行,步骤如下:
(1)烘料:将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y中间合金200℃预热3小时以上;
(2)熔镁:将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化;
(3)加Gd和Y:当镁液温度达到720℃后,往镁液中直接加入Mg-25wt.%Gd中间合金,使Gd元素在制备的镁合金总质量中占17.5wt.%;待Mg-Gd中间合金熔化,熔体温度回升至730℃时再加入Mg-25wt.%Y中间合金,使Y元素在制备的总合金中占0.4wt.%;
(4)加Al:待Mg-Y中间合金完全熔化,熔体温度回升至720℃时加入1wt.%纯Al;
(5)铸造:待纯Al完全熔化,熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟,搅拌后将熔体温度升至750℃,不断电精炼2~6分钟,精炼后升温至780℃静置25分钟,静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣,浇铸成合金锭,浇铸用钢制模具预先加热至200℃。
热处理工序为:
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在525℃温度中进行10小时的固溶处理,并在25℃水中淬火,随后在225℃温度中进行36小时的单级时效处理,最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
实施效果:本实施例制得的高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金T6态的室温力学性能为抗拉强度:300MPa,屈服强度:230MPa,延伸率:2.0%,比阻尼性能SDC=8.2%。
实施例2
本实施例涉及一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金的组分及其质量百分比为:15.5wt.%Gd,1.0wt.%Y,1wt.%Al,0.03wt.%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.%,余量为Mg。
本实施例涉及前述的高强度阻尼镁合金的制备方法,所述方法包括熔炼、热挤压和热处理三个工序:
熔炼工序在SF6和C02混合气体保护条件下进行,步骤如下:
(1)烘料:将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y和Mg-Zr中间合金200℃预热3小时以上;
(2)熔镁:将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化;
(3)加Gd和Y:当镁液温度达到730℃后,往镁液中直接加入Mg-25wt.%Gd中间合金,使Gd元素在制备的镁合金总质量中占15.5wt.%;待Mg-Gd中间合金熔化,熔体温度回升至740℃时再加入Mg-25wt.%Y中间合金,使Y元素在制备的合金总质量中占1.0wt.%;
(4)加A1:待Mg-Y中间合金完全熔化,熔体温度回升至730℃时加入纯A1;
(5)加Zr:待纯Al完全熔化后,熔体温度回升到730℃时加Mg-Zr中间合金;加入Mg-Zr中间合金;使得Al和Zr元素在制备的合金总质量中分别占1.0wt.%和0.03wt.%;
(6)铸造:待纯A1和Mg-Zr中间合金完全熔化,熔体温度回升至740℃时搅拌2分钟,搅拌后将熔体温度升至755℃,不断电精炼2~8分钟,精炼后升温至780℃静置30分钟,静置后待熔体降温至710℃后撇去表面浮渣,浇铸成合金锭,浇铸用钢制模具预先加热至200℃。
挤压工序步骤如下:
将得到的金属锭机加工去除表面氧化皮,制成Φ37.5mm×40mm的圆柱锭;
挤压前分别对模具和坯料进行预加热2小时至500℃,挤压比定为9,挤压速率为1.0mm/s,得Φ12.5mm的圆棒。
热处理工序为:
将挤压得到的Mg-Gd-Y-Al合金棒在225℃温度中进行36小时的单级时效处理,最后得到高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金。
实施效果:本实施例制得的高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金T5态的室温力学性能为:抗拉强度:400MPa,屈服强度:280MPa,延伸率:6.0%,比阻尼性能SDC=7.3%。
实施例3
本实施例涉及一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金的组分及其质量百分比为:14wt.%Gd、0.2wt.%Y、0.6wt.%Al,0.1wt.%Zr,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.%,余量为Mg(wt.%是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比,总质量为Mg、Al和各种中间合金的质量和)。
本实施例还涉及前述的高强度阻尼镁合金的制备方法,所述方法包括熔炼、热挤压和热处理三个工序:
其中,熔炼工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行,步骤如下:
(1)烘料:将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y中间合金200℃预热3小时以上;
(2)熔镁:将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化;
(3)加Gd和Y:当镁液温度达到720℃后,往镁液中直接加入Mg-25wt.%Gd中间合金,使Gd元素在制备的镁合金总质量中占14wt.%;待Mg-Gd中间合金熔化,熔体温度回升至730℃时再加入Mg-25wt.%Y中间合金,使Y元素在制备的总合金中占0.2wt.%;
(4)加Al:待Mg-Y中间合金完全熔化,熔体温度回升至730℃时加入纯A1;
(5)加Zr:待纯Al完全熔化后,熔体温度回升到730℃时加入Mg-Zr中间合金;使得Al和Zr元素在制备的合金总质量中分别占0.6wt.%和0.1wt.%;
(6)铸造:待Mg-Zr中间合金完全熔化,熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟,搅拌后将熔体温度升至750℃,不断电精炼2~6分钟,精炼后升温至780℃静置25分钟,静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣,浇铸成合金锭,浇铸用钢制模具预先加热至200℃。
挤压工序步骤如下:
将得到的金属锭机加工去除表面氧化皮,制成Φ37.5mm×40mm的圆柱锭。
挤压前分别对模具和坯料进行预加热2小时至500℃,挤压比定为9,挤压速率为1.0mm/s,得Φ12.5mm的圆棒。
热处理工序为:
将挤压得到的Mg-Gd-Y-Al合金棒在225℃温度中进行36小时的单级时效处理,最后得到高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金。
实施效果:本实施例制得的高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金T5态的室温力学性能为:抗拉强度:400MPa,屈服强度:260MPa,延伸率:8.0%,比阻尼性能SDC=7.0%。
实施例4
本实施例涉及一种高强度阻尼镁合金,所述镁合金的组分及其质量百分比为:18wt.%Gd、5wt.%Y、2.0wt.%Al,杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的含量小于0.02wt.%,余量为Mg(wt.%是指组分占所制备的镁合金总质量的百分比,总质量为Mg、Al和各种中间合金的质量和)。
本实施例还涉及前述的高强度阻尼镁合金的制备方法,所述方法包括熔炼和热处理两个工序:
其中,熔炼工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行,步骤如下:
(1)烘料:将纯镁、纯铝、Mg-Gd、Mg-Y中间合金200℃预热3小时以上;
(2)熔镁:将烘干后的纯镁放入有SF6/CO2气体保护的坩埚电阻炉中熔化;
(3)加Gd和Y:当镁液温度达到720℃后,往镁液中直接加入Mg-25wt.%Gd中间合金,使Gd元素在制备的镁合金总质量中占18wt.%;待Mg-Gd中间合金熔化,熔体温度回升至730℃时再加入Mg-25wt.%Y中间合金,使Y元素在制备的总合金中占5wt.%;
(4)加Al:待Mg-Y中间合金完全熔化,熔体温度回升至730℃时加入纯A1,使得Al元素在制备的合金总质量中分别占2.0wt.%;
(5)铸造:待纯Al完全熔化,熔体温度回升至730℃时搅拌2分钟,搅拌后将熔体温度升至750℃,不断电精炼2~6分钟,精炼后升温至780℃静置25分钟,静置后待熔体降温至720℃后撇去表面浮渣,浇铸成合金锭,浇铸用钢制模具预先加热至200℃。
热处理工序为:
将熔炼得到的Mg-Gd-Y-Al合金锭在525℃温度中进行10小时的固溶处理,并在25℃水中淬火,随后在225℃温度中进行36小时的单级时效处理,最后得到高强度Mg-Gd-Y-Al合金。
实施效果:本实施例制得的高强度阻尼Mg-Gd-Y-Al合金T6态的室温力学性能为抗拉强度:280MPa,屈服强度:240MPa,延伸率:2.0%,比阻尼性能SDC=8.0%。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,任何未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种高强度阻尼镁合金,其特征在于,所述镁合金包含如下重量百分比的各组分:
Gd   14~18%,
Y    0.2~5%,
Al   0.6~2%,
Zr   0~0.1%,
杂质小于0.02%,
余量为镁。
2.如权利要求1所述的高强度阻尼镁合金,其特征在于,所述杂质包括如下各组分:Si、Fe、Cu和Ni。
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