CN104099508B

CN104099508B - 一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金

Info

Publication number: CN104099508B
Application number: CN201410362423.8A
Authority: CN
Inventors: 张新明; 杨柳; 叶凌英; 唐昌平; 崔彬; 张骞; 谭军; 邓运来
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: CN104099508A

Abstract

一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分：钆、钇、锡、锂，余量为镁；采用本发明所述合金所制得的材料在室温条件下极限抗拉强度(σ_b)大于250MPa，延伸率(δ)大于2％，阻尼性能(Q^-1)高于0.01。本发明通过对金属镁进行组分及配比合理的合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高镁合金的塑性，同时，有效改善了合金中的合金元素的种类和数量，形成了大量的第二相；对合金铸件进行固溶强化、人工时效后，大量的强化第二相得以在晶内均匀分布并在晶界富集；通过以上多方面的协同作用，使本发明合金具有较高的阻尼性能及很好的强度。

Description

一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金

技术领域

本发明涉及一种高阻尼镁合金，特别是指一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，可满足高阻尼性能要求的轻质材料或零部件制造的要求。属于有色金属材料制备技术领域。

背景技术

近年来，国防工业和民用工业领域的发展对减振降噪技术都有十分迫切的需求。在国防工业中，火箭、卫星失效分析结果表明，约2/3的故障与振动和噪音有关；飞机在长期使用的过程中，由于振动常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹、空速管断裂等问题，严重影响飞机的可靠性和使用寿命；海军舰船及潜艇振动源的减振降噪对其隐蔽性和提高生存能力的作用十分关键。在民用工业领域中，轻质减振结构材料用于汽车等壳体可降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。阻尼合金是解决振动和噪音的最主要手段，阻尼(内耗)是指材料在振动中由于内部原因引起机械振动能消耗的现象。

高阻尼金属的阻尼值标准为Q^-1≥0.01。纯镁与振幅无关的阻尼值Q^-1约为0.01，已达到高阻尼合金的标准。但纯镁综合性能的不足大大限制了它的应用范围，合金化是提高镁合金综合性能的重要技术方向。含Al、Ni、Si等元素的二元镁合金铸态的阻尼性能优于纯镁，报道的Mg-0.5％(wt.％)Al合金与振幅无关的阻尼性能Q^-1约为0.01，而应变超过合金的临界应变振幅后，Mg-0.5％(wt.％)Al合金的阻尼值甚至达到0.3，这远远大于高阻尼金属的标准，其阻尼值增长的速度远远超过纯镁阻尼值的增长速度。Mg-5％(wt.％)Ni与振幅无关的的阻尼性能为Q^-1为0.035，当应变超过合金的临界应变振幅后，Mg-5％(wt.％)Ni合金阻尼值升高的速度与纯镁几乎一样；Mg-0.5％(wt.％)Si合金与纯Mg的阻尼性能相差不大，均大于0.01，当应变超过合金的临界应变振幅后，Mg-0.5％(wt.％)Si合金阻尼值增长的速度比纯镁快；美国研制成功的K1A(Mg-0.7wt.％Zr)阻尼镁合金其阻尼性能不仅高于常用的铝合金，甚至比灰口铸铁还高。纯镁合金的抗拉强度为76MPa，屈服强度为18MPa，延伸率为4％；Mg-0.5％(wt.％)Al合金的抗拉强度为109MPa，屈服强度为19MPa，延伸率为5.2％；Mg-0.5％(wt.％)Si合金的抗拉强度为136MPa，屈服强度为37MPa，延伸率为8.7％；Mg-0.7wt.％Zr抗拉强度为175MPa，屈服强度为60MPa。虽然纯镁及一些二元镁合金的阻尼性能优异，但他们共同的缺点是力学性能较低，达不到实际对综合力学性能的需求。

多元镁合金如Mg-11Li-3Al合金强度为138MPa，伸长率为45％，阻尼性能Q^-1高达0.01；Mg-Cu-Mn系合金是近年来开发出来的新型高强度高阻尼镁合金。Mg-3wt％Cu-1wt％Mn烧结态合金的抗拉强度达到291MPa，当应变振幅为4×10^-4时其阻尼性能超过纯镁，Q^-1达到0.015，但其烧结态性能不稳定，且制备工艺复杂，因此很难实现工业化生产。

通过合金化，能够使得镁合金不仅能够满足高阻尼性能需求，同时具有较高的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理的含稀土元素的高强高阻尼镁合金，本发明合金铸件经固溶淬火、人工时效后，合金具有高的强度、较好的阻尼性能，该合金可满足高阻尼要求的轻质材料或零部件制造的需求。

本发明一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆(Gd)5.0-9.0％；

钇(Y)1.0-4.0％；

锡(Sn)0.5-5.0％，余量为镁，各组分质量百分之和为100％。

本发明一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量自分比组成：

活性元素X0-1.0％，余量为镁，各组分质量百分之和为100％。

所述活性元素X选自钪(Sc)、铝(Al)、钛(Ti)、碳(C)、银(Ag)、锆(Zr)、钙(Ca)、锑(Sb)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)中任意一种。

本发明一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，铸件经490-510℃/45-52h固溶，淬火后，进行210-230℃/14-18h人工时效处理。

本发明一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金金采用下述方案制备：选择在本发明所指范围的合金成分，Mg用纯镁的方式加入，其它元素均用中间合金方式加入，在电阻炉内进行熔炼，熔体经Ar₂气除气后浇注、冷却成铸锭，合金的熔炼及浇注温度分别为770-790℃、730-750℃，从铸锭上切取试样，试样经490-510℃/45-52h固溶后在水中淬火，随后进行210-230℃/14-18h时效，得到高强高阻尼镁合金。

根据金属材料位错强化理论，镁合金材料的强化可以采用第二相强化与固溶强化。本发明通过在镁合金中加入Gd、Y、Sn和/或Li元素并控制其在合金中的含量，实现了镁合金材料的固溶强化和第二相强化。具体机理分析如下：

本发明通过合理的组分配比，一方面利用Gd、Y、Sn和/或Li元素与镁形成第二相，如Mg₅Gd，Mg₃Gd，Mg₂₄Y₅，Mg₂Y，Mg₂Sn，MgSnY，Sn₃Y₅，MgLi₁₂等，Gd、Y元素与基体形成的第二相可以有效提高合金的强度，而Sn、Li元素与Mg形成的第二相既可以提高合金强度，同时又可以提高合金延伸率。同时，利用了Gd、Y、Sn、Li元素在镁中的固溶特性差异，在材料制备过程中形成的非平衡和(或)平衡第二相能在晶内分布及在晶界富集，使本发明所制备的镁合金具有很高的强度和较好的延伸性能；

另一方面，根据金属阻尼机制形成的位错型阻尼机制理论，其阻尼机制是位错运动被晶体中的缺陷(如点缺陷、其它位错或者界面等)阻碍而滞后于外加应力而引起的；镁基材料的阻尼机制属于位错型，位错型阻尼合金中，合金元素的种类和数量、第二相的种类和数量、晶粒取向和晶粒尺寸等，对其阻尼性能有很大的影响；因此，本发明在合金基体中加入Gd、Y、Sn和/或Li，改变了合金中的合金元素的种类和数量，形成了如Mg₅Gd，Mg₃Gd，Mg₂₄Y₅，Mg₂Y，Mg₂Sn，MgSnY，Sn₃Y₅，MgLi₁₂等第二相，同时，稀土元素及活性元素X的加入，可以有效改善晶界结构、细化镁合金基体的晶粒尺寸，使镁合金的塑性得到提高，通过对合金进行固溶强化淬火及人工时效处理，大量的强化第二相得以在晶内均匀分布并在晶界富集，使本发明的镁合金获得了较高的阻尼性能及很好的强度。

综上所述，本发明通过对金属镁进行组分及配比合理的合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高镁合金的塑性，同时，有效改善了合金中的合金元素的种类和数量，形成了大量的第二相；对合金铸件进行固溶强化、人工时效后，大量的强化第二相得以在晶内均匀分布并在晶界富集；通过以上多方面的协同作用，使本发明合金具有较高的阻尼性能及很好的强度。

本发明的合金，随成分配比的不同，其阻尼性能会有差异，但合金材料性能的总体特征是在室温条件下极限抗拉强度(σ_b)大于260MPa，阻尼性能Q^-1高于0.01，可以达到综合性能优于报道的高阻尼二元镁合金。

本发明中对稀土元素Gd、Y、Sn、Li的百分含量所作的限制是考虑合金密度与性能综合效益后作出的选择。

具体实施方式

实施例

本发明提供10种不同组分配比的合金，经铸造、固溶淬火、人工时效后，合金成分、力学性能、阻尼性能指标见表1。

本发明实施例中合金的制备过程为：按表1中确定的1-10种合金成分配称合金各组分，Mg用纯镁的方式加入，其它元素均用中间合金方式加入，在电阻炉内进行熔炼，熔体经Ar₂气除气后浇注、冷却成铸锭，合金的熔炼及浇注温度分别为780℃、740℃，从铸锭上切取试样，试样经500℃/48h固溶后在水中淬火，随后进行220℃/16h时效，得到高强高阻尼镁合金。

对制备的高强高阻尼镁合金，按GB/T18258-2000进行阻尼性能测试；

测试仪器：美国TA公司生产的DMAQ800型动态机械热分析仪，用于测试镁合金在低频强迫振动模式下的阻尼性能；

测试方法：阻尼测试采用单悬臂模式，试样尺寸为35mm×10mm×2.5mm。

表1

从表1中得到的本发明实施例制备的合金的力学性能参数、阻尼性能参数，可知：本发明的合金随成分配比的不同，其阻尼性能会有差异，但合金材料性能的总体特征是：在室温条件下极限抗拉强度(σ_b)大于260MPa，阻尼性能Q^-1(与振幅无关)高于0.01，Q^-1(4×10^-5)高于0.012，Q^-1(8×10^-5)高于0.015，综合性能优于报道的高阻尼二元镁合金。

Claims

1.一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆（Gd）5.0-9.0%；

钇（Y）1.0-4.0%；

锡（Sn）0.5-5.0%，余量为镁，各组分质量百分之和为100%；

铸件经490-510℃/45-52h固溶，淬火后，进行210-230℃/14-18h人工时效处理。

2.根据权利要求1所述的一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆（Gd）5.0-9.0%，

钇（Y）1.0-4.0%，

锡（Sn）0.5-5.0%，

锂（Li）0-1.0%，余量为镁，各组分质量百分之和为100%。

3.据权利要求2所述的一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆（Gd）5.5-9.0%，

钇（Y）1.5-3.5%，

锡（Sn）1.0-4.5%，

锂（Li）0.2-0.8%，余量为镁，各组分质量百分之和为100%。

4.根据权利要求2所述的一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆（Gd）6.0-8.8%，

钇（Y）1.5-3.0%，

锡（Sn）2.0-4.0%，

锂（Li）0.2-0.8%，余量为镁，各组分质量百分之和为100%。

5.根据权利要求4所述的一种含稀土元素的高强高阻尼镁合金，包括下述组分，按质量百分比组成：

钆（Gd）6.0-8.8%，

钇（Y）1.5-3.0%，

锡（Sn）2.0-4.0%，

锂（Li）0.2-0.8%，

活性元素X0-1.0%，余量为镁，各组分质量百分之和为100%；

所述活性元素X选自钪、铝、钛、碳、银、锆、钙、锑、镧、铈、铕中任意一种。