CN104818442A - 一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，包括如下步骤：先将Mg-Zn-Y合金铸锭在480~520℃均匀化处理3~6小时；再将均匀化处理后的合金在挤压机上进行挤压；随后将挤压后的合金在530~550℃进行热处理2~6小时；最后将热处理后的合金在410~460℃进行轧制，单道次3~8%变形量，累计变形量40~60%。本发明方法使合金中杂乱不规则的LPSO相组织转变为杆状形貌LPSO相，同时提高合金的阻尼与力学性能；采用本发明方法制备的变形镁合金，能在满足减震降噪及轻量化需求的同时，满足材料力学和阻尼性能方面的要求，可广泛应用于高速列车、汽车、航空航天、国防军工和纺织工艺等领域。
Description
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，涉及一种镁合金的塑性加工方法，具体涉及一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法。
背景技术
随着航空航天、武器装备及交通工具等现代工业日趋轻量化、高速化和大功率化的发展趋势，由此引起的振动和噪声问题变得尤为突出。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。镁是最轻的商用金属结构材料，能够满足轻量化的需求；镁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）强化的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%），也存在这一定缺陷。如何同时有效改善镁合金阻尼性能和力学性能是一个亟待解决的重要问题。
日本学者在“Plastic Deformation Behavior of Mg97Zn1Y2 Extruded Alloys”一文提到：在镁合金中，长周期堆垛有序 (LPSO)具有的独特结构能显著提高合金力学性能。这一发现极大地激发了国内外科学家的研究兴趣，使含LPSO相镁合金成为近年来学术界的一个研究热点。CN 101805864 B中公开了“高阻尼高强Mg-Cu-Mn-Zn-Y”合金，其向Mg-Cu-Mn合金中加入Zn和Y元素，使Mg、Zn、Y在合金中形成准晶和/或长周期相，有效提高合金的阻尼。但如何有效改善含LPSO相镁合金的阻尼与力学性能，目前尚未有研究。
现有常规镁合金处理方法中，单一的变形或热处理往往会导致合金阻尼与力学性能不可兼得，往往在提升合金力学的同时，会大幅降低合金的阻尼性能，使得镁合金材料无法同时满足力学与阻尼性能方面的要求，无法更好地应用于高速列车、汽车、航空航天、国防军工和纺织工艺等领域，而存在着一定的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，用来同时改善含LPSO相镁合金的阻尼与力学性能，使采用本发明方法处理后的变形镁合金，在满足减震降噪及轻量化实际需求的同时，能够满足材料力学和阻尼性能方面的要求。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，通过改变Mg-Zn-Y合金中长周期堆垛LPSO相微观形貌，来改善合金的阻尼与力学性能，具体包括如下步骤：
1）均匀化处理：将Mg-Zn-Y合金铸锭在480~520℃均匀化处理3~6小时；
2）挤压塑性变形：将步骤1）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金在挤压机上进行挤压；其中，挤压的工艺条件参数为：挤压温度380~450℃，挤压比为9~16，挤压速度为2~8 m/min，且在挤压过程中挤压速度恒定；
3）LPSO相形貌调控热处理：将步骤2）挤压后的Mg-Zn-Y合金在530~550℃进行热处理2~6小时；
4）轧制变形：将步骤3）处理后的Mg-Zn-Y合金在410~460℃进行轧制，单道次3~8%变形量，累计变形量40~60%。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、长周期堆垛（LPSO）相是镁合金中的有效强化相，本发明对具有LPSO相的Mg-Zn-Y合金进行研究，通过塑性变形与热处理的协同配伍与耦合作用，实现了Mg-Zn-Y合金中LPSO相的调控，实现合金相组织的“无序”到“有序”的转变，使合金中原本杂乱不规则的LPSO相组织转变为杆状形貌LPSO相，这种杆状LPSO相在合金中有类似纤维增强的效果，有利于合金的阻尼与力学性能的提升。
2、本发明采用挤压变形后的高温热处理实现LPSO相的调控，有效解决了Mg-Zn-Y合金中LPSO相十分稳定难以进行调控的技术问题；此外，在镁合金常规处理工艺中，单一的变形或热处理往往会导致合金阻尼与力学性能不可兼得，往往在提升合金力学的同时，大幅降低合金的阻尼性能；基于这方面的考虑，本发明经过大量创造性的研究，通过微观形貌控制及塑性变形工艺，发现当采用挤压工艺—热处理形貌控制工艺—轧制工艺时，由于多种工艺的协同配伍与耦合作用，能够实现Mg-Zn-Y合金阻尼与力学性能的同时提高，为镁合金中阻尼与力学性能之间的矛盾提供新的解决思路。
3、采用本发明方法可以制备出高强高阻尼变形镁合金，该变形镁合金同时具有良好的力学与阻尼性能，能在满足当前发展中对材料提出的减震降噪及轻量化的实际需求的同时，满足材料力学和阻尼性能方面的要求，使本发明处理后的变形镁合金可广泛应用于高速列车、汽车、航空航天、国防军工和纺织工艺等领域，同时发挥高阻尼和高力学强度性能。
4、本发明方法工艺简单，容易操作，试验参数控制方便，可移植性强；所用工艺设备均为常规设备，成本较低，具有良好的可推广性。
附图说明
图1为对比例1-1处理后的变形镁合金的微观组织照片；
图2为对比例1-2处理后的变形镁合金的微观组织照片；
图3为实施例1处理后的变形镁合金的微观组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，并与常规工艺处理的镁合金性能进行对比，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。
对比例1-1 采用常规挤压方法对镁合金进行加工，包括如下步骤：
1)均匀化处理：使用含有LPSO相的Mg-Zn-Y合金为原料，在500℃均匀化处理4小时；其中，Mg-Zn-Y合金中Zn元素质量含量4.9%，Y元素质量含量为8.9%，杂质元素质量含量少于0.2%，其余为Mg（重量百分比）；
2)挤压塑性变形：将均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金在挤压机上进行挤压，工艺参数为：挤压温度400℃，挤压比为12.56，挤压速度为5 m/min，且挤压速度恒定。
对采用以上工艺处理的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，结果显示Mg-4.9%Zn-8.9%Y合金经过挤压后，其室温抗拉强度为415MPa，屈服强度为325MPa，应变为10-3时的阻尼为0.016。
对比例1-2 采用常规挤压-轧制方法对镁合金进行加工，包括如下步骤：
1)均匀化处理：使用含有LPSO相的Mg-Zn-Y合金为原料，在500℃均匀化处理4小时；其中，Mg-Zn-Y合金中Zn元素质量含量4.9%，Y元素质量含量为8.9%，杂质元素质量含量少于0.2%，其余为Mg（重量百分比）；
2)挤压塑性变形：将均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金在挤压机上进行挤压，工艺参数为：挤压温度400℃，挤压比为12.56，挤压速度为5 m/min，且挤压速度恒定。
3)轧制变形：将上述步骤2）处理后的Mg-Zn-Y合金在450℃进行轧制，单道次5%变形量，累计叠轧50%。
对采用以上工艺处理的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，结果显示对比例1-2中，处理后的Mg-4.9%Zn-8.9%Y合金室温抗拉强度为430MPa，屈服强度为350MPa，应变为10-3时的阻尼为0.011。与对比例1-1相比，合金的力学得到提升，但阻尼性能有明显降低。
实施例1 一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，包括如下步骤：
1)均匀化处理：使用含有LPSO相的Mg-Zn-Y合金为原料，在500℃均匀化处理4小时；其中，Mg-Zn-Y合金中Zn元素质量含量4.9%，Y元素质量含量为8.9%，杂质元素质量含量少于0.2%，其余为Mg（重量百分比）；
2)挤压塑性变形：将均匀化处理后的合金铸锭在挤压机上进行挤压，工艺参数为：挤压温度400℃，挤压比为12.56，挤压速度为5 m/min，且挤压速度恒定。
3) LPSO相形貌调控热处理：将步骤2）挤压后的Mg-Zn-Y合金在540℃进行热处理4小时，将合金中不规则LPSO转变成杆状形貌；
4)轧制变形：将上述步骤3）处理后的Mg-Zn-Y合金在450℃进行轧制，单道次5%变形量，累计叠轧50%。
对本实施例处理后的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，结果显示：经过本发明工艺处理后，实施例1中Mg-4.9%Zn-8.9%Y合金的抗拉强度为450MPa，屈服强度为350MPa，应变为10-3时的阻尼为0.020。与对比例1-1相比，合金的阻尼与力学性能得到了同时提高；与对比例1-2相比，两种工艺处理后的Mg-Zn-Y合金力学性能相似，但本实施例处理后的Mg-Zn-Y合金阻尼几乎是对比例1-2的2倍。
图1-3分别对应对比例1-1、对比例1-2和实施例1的微观组织照片；图中白色第二相均为LPSO相。图1中总体上与分布呈现流线性，但单个LPSO相并无规则的形状；图2中LPSO的形貌与图1相似，但组织更为细小，这也是对比例1-2的力学优于对比例1-1的原因；图3中的组织与前面二者有明显的差异，合金中原本杂乱不规则的LPSO相组织转变为杆状形貌LPSO相，实现合金相组织的“无序”到“有序”的转变，这些长杆状LPSO相在合金基体中有类似纤维增强的效果，因此有利于Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的同时提升。
对比例2-1 采用常规挤压方法对镁合金进行加工，包括如下步骤：
采用Mg-Zn-Y合金；其中，Mg-Zn-Y合金中，Y-4.7%，Zn-2.6%，杂质元素小余0.2%，其余为Mg（质量百分数）。具体工艺步骤如下：
将该合金在480℃均匀化处理6小时；然后进行挤压变形，挤压温度380℃，挤压比为14，挤压速度为6 m/min，且挤压速度恒定；
对采用上述工艺处理后的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，结果显示：Mg-2.6%Zn-4.7%Y合金经过挤压后，室温抗拉强度为335MPa，屈服强度为270MPa，应变为10-3时的阻尼为0.013。
对比例2-2 采用常规挤压-轧制方法对镁合金进行加工，包括如下步骤：
采用Mg-Zn-Y合金；其中，Mg-Zn-Y合金中，Y-4.7%，Zn-2.6%，杂质元素小余0.2%，其余为Mg（质量百分数）。具体工艺步骤如下：
将该合金在480℃均匀化处理6小时；然后进行挤压变形，挤压温度380℃，挤压比为14，挤压速度为6 m/min，且挤压速度恒定；
最后将经过上述处理后的Mg-Zn-Y合金在420℃进行轧制，单道次6%变形量，累计变形量为60%。
对处理后的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，结果显示：经过挤压后，Mg-2.6%Zn-4.7%Y合金的室温抗拉强度为350MPa，屈服强度为290MPa，应变为10-3时的阻尼为0.010。与对比例2-1相比，合金的力学得到提升，但阻尼性能有明显降低。
实施例2 一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，与实施例1不同的是选用了不同LPSO相含量的Mg-Zn-Y合金；其中，Mg-Zn-Y合金中，Y-4.7%，Zn-2.6%，杂质元素小余0.2%，其余为Mg（质量百分数）。具体工艺步骤如下：
将该合金在480℃均匀化处理6小时；然后进行挤压变形，挤压温度380℃，挤压比为14，挤压速度为6 m/min，且挤压速度恒定；而后将挤压合金在550℃进行热处理5小时，将合金中不规则LPSO转变成杆状形貌；最后，将热处理后的试样在420℃进行轧制，单道次6%变形量，累计变形量为60%。
对本实施例处理后的Mg-Zn-Y合金进行性能测试，试验结果：经过轧制变形，Mg-2.6%Zn-4.7%Y合金的室温抗拉强度为345MPa，屈服强度为280MPa，应变为10-3时的阻尼为0.018。与对比例2-1相比，本实施例处理后的合金阻尼与力学性能得到同时提高；且采用本实施例方法处理后的Mg-2.6%Zn-4.7%Y合金阻尼远高于对比例2-2，而力学仅略低于对比例2-2。
为了更为直观展现本发明的优点，将上述实施例和对比例处理后的Mg-Zn-Y合金性能测试结果列举在下述表1中；
表1 处理后的镁合金性能数据
通过上述实施例、对比例和表1的内容，分析可得：采用挤压变形或者挤压变形直接轧制工艺，虽能提高变形镁合金的力学性能，但会降低镁合金的阻尼性能；而采用本发明方法对含有LPSO相的Mg-Zn-Y合金进行塑性加工，能同时提高合金的阻尼与力学性能，获得力学与阻尼性能都较好的镁合金，具有显著的进步性。
综上，采用本发明方法可以制备出高强高阻尼变形镁合金，该变形镁合金同时具有良好的力学与阻尼性能，能在满足当前发展中对材料提出的减震降噪及轻量化的实际需求的同时，满足材料力学和阻尼性能方面的要求，使本发明处理后的变形镁合金可广泛应用于高速列车、汽车、航空航天、国防军工和纺织工艺等领域，同时发挥高阻尼和高力学强度性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于：通过改变Mg-Zn-Y合金中长周期堆垛LPSO相微观形貌，来改善合金的阻尼与力学性能，具体包括如下步骤：
1）均匀化处理：将Mg-Zn-Y合金铸锭在480~520℃均匀化处理3~6小时；
2）挤压塑性变形：将步骤1）均匀化处理后的Mg-Zn-Y合金在挤压机上进行挤压；其中，挤压的工艺条件参数为：挤压温度380~450℃，挤压比为9~16，挤压速度为2~8 m/min，且在挤压过程中挤压速度恒定；
3）LPSO相形貌调控热处理：将步骤2）挤压后的Mg-Zn-Y合金在530~550℃进行热处理2~6小时；
4）轧制变形：将步骤3）处理后的Mg-Zn-Y合金在410~460℃进行轧制，单道次3~8%变形量，累计变形量40~60%。
2.根据权利要求1所述提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于，步骤3）中热处理温度优选540℃。
3.根据权利要求1所述提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于，步骤3）中热处理时间优选4小时。
4.根据权利要求1所述提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于，步骤4）中轧制温度优选450℃。
5.根据权利要求1所述提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于，步骤4）中单道次变形量优选5%。
6.根据权利要求1所述提高Mg-Zn-Y合金的阻尼与力学性能的方法，其特征在于，步骤4）中累计变形量优选50%。
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