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一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金及其制备方法

文献发布时间：2024-04-18 19:58:21

技术领域

本发明涉及镁合金材料技术领域，尤其涉及一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金及其制备方法。

背景技术

镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，在轻量化减重、减振降噪和降低能耗等方面具有显著的优势。在高速列车、轨道交通和汽车工业等领域中具有潜在的应用价值和宽广的应用前景。同时镁合金具有易于循环利用的特点，是一款环保绿色的工程材料。但是金属镁为密排六方晶体结构，独立滑移系较少，室温下滑移难以有效启动，导致其塑性较差，严重制约了其应用和发展。

研究表明，在镁合金中同时添加多种合金元素进行多元合金化处理可以有效提高镁合金的强度、塑性以及综合性能，但多种合金元素的共同添加容易对镁合金的后续成形产生显著影响。这是由于镁合金在变形加工过程中容易产生强的基面织构，这不利于提高镁合金的塑性和阻尼性能，而变形镁合金的性能往往优于铸造镁合金。这就要求在变形镁合金中所添加的合金元素能够弱化基面织构或者形成非基面织构，有利于镁合金的动态再结晶发生，在变形过程中产生的动态析出相能够抑制再结晶晶粒的长大。而这一类元素主要为RE和Ca元素，这类元素能够弱化基面织构或者形成与基面织构不同的新织构，这是由于这类元素在晶界产生的偏聚作用。然而RE的成本较高，Ca在镁中的最大固溶度仅为1.34wt.％，且RE和Ca的化学活性均高于镁，在熔炼过程中容易氧化烧损，难以准确控制所设计合金的成分，不利于获得符合性能要求的镁合金。

因此，提供一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金及其制备方法，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金的合金化程度低，且具有较高的室温塑性和高阻尼性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金，包括以下质量百分比的元素：Gd：0.5～1.5％，Zn：0.5～0.9％，Zr：0.3～0.6％和余量Mg。

优选地，所述的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金包括以下质量百分比的元素：Gd：0.6～1.4％，Zn：0.6～0.8％，Zr：0.35～0.55％和余量Mg。

优选地，所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金中的Gd与Zn的质量比值为：1.0≤Gd/Zn≤3.0。

优选地，所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金中的杂质元素的质量百分比不超过0.1％。

优选地，所述杂质元素包括Fe、Si、Cu和Ni；所述Fe的质量百分比不超过0.03％，所述Si的质量百分比不超过0.03％，所述Cu的质量百分比不超过0.01％，所述Ni的质量百分比不超过0.01％。

本发明还提供了上述技术方案所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将合金原料依次进行熔化、精炼、静置和半连续铸造，得到镁合金铸锭；

(2)将所述步骤(1)得到的镁合金铸锭依次进行均匀化退火处理和挤压，得到所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金。

优选地，所述步骤(1)中精炼的温度为720～730℃，精炼的时间为5～15min。

优选地，所述步骤(1)中半连续铸造的温度为705～715℃，半连续铸造的铸造速度为100～300mm/min，半连续铸造的循环水流量为5～25m

优选地，所述步骤(2)中均匀化退火处理的保温温度为480～530℃，均匀化退火处理的保温时间为20～30h。

优选地，所述步骤(2)中挤压的温度为350～450℃，挤压的挤压比≥20，挤压的挤压速度为0.2～10m/min。

本发明提供了一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金，包括以下质量百分比的元素：Gd：0.5～1.5％，Zn：0.5～0.9％，Zr：0.3～0.6％和余量Mg。本发明在镁基体中添加低含量的稀土元素Gd，一方面，稀土元素Gd固溶到镁基体中的同时可以细化晶粒，具有固溶强化和细晶强化双重作用，同时可以有效降低镁合金的c/a值，调控层错能，有利于非基面滑移的激活，进而提高镁合金的塑性；另一方面，稀土元素Gd的添加可以弱化镁合金变形后产生的基面织构或改变织构的类型，有利于室温变形时基面滑移和拉伸孪晶的启动，从而使镁合金的塑性得以提高。本发明在镁基体中添加Zn和Zr元素，Zn和Zr元素不仅对非基面滑移的激活能具有提高作用，而且能够在镁基体中形成析出相，弥散分散在镁基体中，从而起到析出强化和细晶强化双重作用，以上多种作用共同促进镁合金非基面位错滑移，激发位错型阻尼机制，使位错在变形过程中不易缠结和塞积，进而有效提高镁合金塑性和阻尼性能。

实施例的结果表明，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金在室温下，其抗拉强度为215～256MPa，屈服强度为128～211MPa，伸长率为31.7～39.3％，室温阻尼性能(以应变为10

附图说明

图1是本发明实施例2样品的TEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金，包括以下质量百分比的元素：Gd：0.5～1.5％，Zn：0.5～0.9％，Zr：0.3～0.6％和余量Mg。

按质量百分比计，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金包括Gd：0.5～1.5％，优选为0.6～1.4％，更优选为0.7～1.3％。本发明通过添加稀土元素Gd并将其含量控制在上述范围内，可以对镁基体起到固溶强化和细晶强化双重作用，同时可以有效降低镁合金的c/a值，调控层错能，有利于非基面滑移的激活，进而提高镁合金的塑性；另外，稀土元素Gd的添加可以弱化镁合金变形后产生的基面织构或改变织构的类型，有利于室温变形时基面滑移和拉伸孪晶的启动，从而使镁合金的塑性得以提高。

按质量百分比计，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金包括Zn：0.5～0.9％，优选为0.6～0.8％，更优选为0.65～0.75％。本发明通过在镁基体中添加Zn并将其含量控制在上述范围内，能够提高非基面滑移的激活能，并且在镁基体中形成弥散分散的析出相，起到析出强化和细晶强化双重作用，从而促进镁合金非基面位错滑移，激发位错型阻尼机制，使位错在变形过程中不易缠结和塞积，进而有效提高镁合金塑性和阻尼性能。

在本发明中，所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金中的Gd与Zn的质量比值优选为：1.0≤Gd/Zn≤3.0，更优选为1.5≤Gd/Zn≤2.5。本发明通过控制Gd与Zn的质量比值在上述范围内，能够利用Gd与Zn的交互作用同时提高镁合金的塑性和阻尼。在本发明中，当Gd与Zn的质量比值低于1时，镁合金的塑性和阻尼性能同时下降，主要原在于：一方面，Zn元素对非基面滑移的激活能具有提高作用，由于元素交互作用的影响，Gd元素对非基面滑移激活能的削弱能力减弱；另一方面，由于Zn占据了Gd在晶界偏聚时的部分位置，Gd在偏聚形成非基面织构的作用被减弱，进而使基面织构的强度变高。因此，镁合金的强度提高，阻尼和塑性则大幅下降；当Gd与Zn的质量比值高于3时，Gd和Zn与镁基体不共格的动态析出W相(Mg

按质量百分比计，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金包括Zr：0.3～0.6％，优选为0.35～0.55％，更优选为0.4～0.5％。本发明通过在镁基体中添加Zr并将其含量控制在上述范围内，能够提高非基面滑移的激活能，并且在镁基体中形成弥散分散的析出相，起到析出强化和细晶强化双重作用，从而促进镁合金非基面位错滑移，激发位错型阻尼机制，使位错在变形过程中不易缠结和塞积，进而有效提高镁合金塑性和阻尼性能。

按质量百分比计，本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金包括除上述各元素外余量的Mg。

在本发明中，所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金中杂质元素的质量百分比优选不超过0.1％，更优选不超过0.06％。本发明通过控制镁合金中不可避免的杂质元素的含量在上述范围内，能够降低杂质元素对镁合金的不利影响，保证镁合金组织均匀，更有利于使镁合金具有较高塑性和阻尼性能。

在本发明中，所述杂质元素优选包括Fe、Si、Cu和Ni；所述Fe的质量百分比不超过0.03％，所述Si的质量百分比优选不超过0.03％，所述Cu的质量百分比优选不超过0.01％，所述Ni的质量百分比优选不超过0.01％。本发明通过限制不可避免的杂质元素以及各个杂质元素的上限含量，能够进一步降低杂质元素对镁合金的不利影响。

本发明提供的低合金化室温高塑性高阻尼镁合金的合金化程度低，且具有较高的室温塑性和高阻尼性能，同时还能够使镁合金具有较高的强度，尤其是屈服强度，使镁合金具有更广泛的应用前景。

本发明还提供了上述技术方案所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将合金原料依次进行熔化、精炼、静置和半连续铸造，得到镁合金铸锭；

(2)将所述步骤(1)得到的镁合金铸锭依次进行均匀化退火处理和挤压，得到所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金。

本发明将合金原料依次进行熔化、精炼、静置和半连续铸造，得到镁合金铸锭。

在本发明中，所述合金原料优选包括镁锭、锌锭、Mg-30％Gd中间合金和Mg-30％Zr中间合金。

在本发明中，所述锌锭、Mg-30％Gd中间合金和Mg-30％Zr中间合金在熔化前优选进行预热；所述预热的温度优选独立地为120～200℃，所述预热的时间优选独立地为1～2h。本发明通过将上述原料在使用前进行预热并控制预热参数在上述范围内，能够保证上述原料的水分被烘干，加热时能够快速熔化，并减少氧化烧损。

在本发明中，所述镁锭和锌锭的原料的烧损率优选忽略不计，所述Mg-30％Gd中间合金的烧损率优选按10～20％计算，所述Mg-30％Zr中间合金的烧损率优选按照50～200％计算。本发明通过控制各个合金原料的烧损率进行配料，更有利于得到目标成分的镁合金，从而得到符合性能要求的镁合金。

在本发明中，所述熔化的过程优选包括：加入镁锭升温至600～630℃熔化，待熔清后升温至780～810℃再加入Mg-30％Gd中间合金熔化，待熔清后降温至755～765℃同时加入锌锭和Mg-30％Zr中间合金熔化。本发明通过控制上述熔化过程，能够保证各个合金原料快速熔化，并减少合金原料的氧化烧损。

在本发明中，所述熔化的氛围优选为CO

在本发明中，所述精炼的温度优选为720～730℃，所述精炼的时间优选为5～15min。本发明通过控制精炼的温度在上述范围内，能够保证精炼过程有效去除杂质和气体，保证镁合金组织的均匀致密性。

在本发明中，所述精炼的方式优选为通入氩气精炼。本发明对所述通入氩气精炼的具体操作没有特殊要求，采用本领域常规的通入氩气精炼的操作即可。本发明通过采用通入氩气精炼，可以使熔体中的杂质漂浮至熔体表面，更有利于去除杂质。

在本发明中，所述静置的温度优选为720～730℃，所述静置的时间优选为30～90min。本发明通过控制静置的温度和时间在上述范围内，能够进一步保证熔体中的杂质和气体被充分去除，保证镁合金具有均匀致密的组织。

在本发明中，所述静置的氛围优选为CO

在本发明中，所述半连续铸造的温度优选为705～715℃；所述半连续铸造的铸造速度优选为100～300mm/min；所述半连续铸造的循环水流量优选为5～25m

得到镁合金铸锭后，本发明将所述镁合金铸锭依次进行均匀化退火处理和挤压，得到所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金。

在本发明中，所述均匀化退火处理的保温温度优选为480～530℃；所述均匀化退火处理的保温时间优选为20～30h。本发明通过控制均匀化退火处理的保温温度和保温时间在上述范围内，更有利于提高镁合金铸锭组织均匀性，消除铸造应力，更有利于进行后续加工变形。

在本发明中，所述均匀化退火处理的冷却方式优选为空冷至室温。

本发明优选对所述均匀化退火处理完成后得到的镁合金锭坯依次进行切割和车削加工。本发明通过进行切割和车削加工，能够在挤压前使镁合金具有适宜的形状并去除其表面氧化层，更有利于挤压得到性能优良的镁合金。

在本发明中，所述挤压的温度优选为350～450℃；所述挤压的挤压比优选≥20；所述挤压的挤压速度优选为0.2～10m/min。本发明通过控制挤压的参数在上述范围内，能够降低挤压时的变形抗力，有序破碎粗大晶粒实现晶粒细化，并获得具有含有可动位错的组织，从而提高镁合金的塑性和阻尼性能。

在本发明中，所述挤压完成后的冷却方式优选为空冷至室温。

本发明提供的制备方法更有利于提高镁合金的室温塑性和高阻尼性能，同时使其具有较高的强度；而且制备方法简单，参数易控，成本低，易于实现工业化生产。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Gd：1.49％，Zn：0.89％，Zr：0.31％和0.017％的杂质元素以及余量Mg；其中，所述杂质元素为Fe：0.005％，Si：0.01％，Cu：0.001％和Ni：0.001％。

所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金的制备方法，由以下步骤组成：

(1)将合金原料依次进行熔化、精炼、静置和半连续铸造，得到镁合金铸锭；具体地：在电阻炉内通入CO

(2)将所述步骤(1)得到的镁合金铸锭依次进行均匀化退火处理和挤压，得到所述低合金化室温高塑性高阻尼镁合金；具体地：将镁合金铸锭在510℃均匀化退火处理保温20h后空冷至室温，然后依次切割和车削加工成挤压所需的锭坯，并在390℃下进行挤压，挤压比为25，挤压速度0.75m/min，空冷至室温后得到低合金化室温高塑性高阻尼镁合金。

实施例2

一种低合金化室温高塑性高阻尼镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Gd：1.35％，Zn：0.53％，Zr：0.53％和0.011％的杂质元素以及余量Mg；其中，所述杂质元素为Fe：0.002％，Si：0.004％，Cu：0.003％和Ni：0.002％。