一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金的制作方法
【專利摘要】一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分：釓、釔、錫、鋰，余量為鎂；采用本發明所述合金所制得的材料在室溫條件下極限抗拉強度(σb)大于250MPa，延伸率(δ)大于2％，阻尼性能(Q-1)高于0.01。本發明通過對金屬鎂進行組分及配比合理的合金化，可以有效細化合金晶粒尺寸，提高鎂合金的塑性，同時，有效改善了合金中的合金元素的種類和數量，形成了大量的第二相；對合金鑄件進行固溶強化、人工時效后，大量的強化第二相得以在晶內均勻分布并在晶界富集；通過以上多方面的協同作用，使本發明合金具有較高的阻尼性能及很好的強度。
【專利說明】一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高阻尼鎂合金，特別是指一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金， 可滿足高阻尼性能要求的輕質材料或零部件制造的要求。屬于有色金屬材料制備技術領 域。

【背景技術】
[0002] 近年來，國防工業和民用工業領域的發展對減振降噪技術都有十分迫切的需求。 在國防工業中，火箭、衛星失效分析結果表明，約2/3的故障與振動和噪音有關；飛機在長 期使用的過程中，由于振動常出現方向舵、機尾罩萌生裂紋、空速管斷裂等問題，嚴重影響 飛機的可靠性和使用壽命；海軍艦船及潛艇振動源的減振降噪對其隱蔽性和提高生存能力 的作用十分關鍵。在民用工業領域中，輕質減振結構材料用于汽車等殼體可降低噪聲，用于 座椅、輪圈可以減少振動，提高汽車的安全性和舒適性。阻尼合金是解決振動和噪音的最主 要手段，阻尼（內耗）是指材料在振動中由于內部原因引起機械振動能消耗的現象。
[0003] 高阻尼金屬的阻尼值標準為Ο 0.01。純鎂與振幅無關的阻尼值?τ1約為0.01， 已達到高阻尼合金的標準。但純鎂綜合性能的不足大大限制了它的應用范圍，合金化是提 高鎂合金綜合性能的重要技術方向。含Al、Ni、Si等元素的二元鎂合金鑄態的阻尼性能優 于純鎂，報道的Mg-0. 5% (wt. % )A1合金與振幅無關的阻尼性能ζΓ1約為0. 01，而應變超 過合金的臨界應變振幅后，Mg-0. 5% (wt. % )A1合金的阻尼值甚至達到0. 3,這遠遠大于高 阻尼金屬的標準，其阻尼值增長的速度遠遠超過純鎂阻尼值的增長速度。Mg-5% (wt. % ) Ni與振幅無關的的阻尼性能為ζΓ1為0. 035,當應變超過合金的臨界應變振幅后，Mg-5% (wt. % ) Ni合金阻尼值升高的速度與純鎂幾乎一樣；Mg-0. 5 % (wt. % ) Si合金與純Mg的 阻尼性能相差不大，均大于0. 01，當應變超過合金的臨界應變振幅后，Mg-0. 5% (wt. % ) Si 合金阻尼值增長的速度比純鎂快；美國研制成功的KlA(Mg-〇. 7wt. % Zr)阻尼鎂合金其阻 尼性能不僅高于常用的鋁合金，甚至比灰口鑄鐵還高。純鎂合金的抗拉強度為76MPa，屈服 強度為18MPa，延伸率為4% ;Mg-〇. 5% (wt. % )A1合金的抗拉強度為109MPa，屈服強度為 19MPa，延伸率為5. 2 % ;Mg-〇. 5 % (wt. % ) Si合金的抗拉強度為136MPa，屈服強度為37MPa， 延伸率為8. 7% ;Mg-〇. 7wt. % Zr抗拉強度為175MPa，屈服強度為60MPa。雖然純鎂及一些 二元鎂合金的阻尼性能優異，但他們共同的缺點是力學性能較低，達不到實際對綜合力學 性能的需求。
[0004] 多元鎂合金如Mg-llLi-3Al合金強度為138MPa，伸長率為45%，阻尼性能^1高達 0. 01 ;Mg-Cu-Mn系合金是近年來開發出來的新型高強度高阻尼鎂合金。Mg-3wt% Cu-lwt% Μη燒結態合金的抗拉強度達到291MPa，當應變振幅為4X 10_4時其阻尼性能超過純鎂，ζΓ1 達到0. 015,但其燒結態性能不穩定，且制備工藝復雜，因此很難實現工業化生產。
[0005] 通過合金化，能夠使得鎂合金不僅能夠滿足高阻尼性能需求，同時具有較高的力 學性能。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種組分配比合理的含稀土元素 的高強高阻尼鎂合金，本發明合金鑄件經固溶淬火、人工時效后，合金具有高的強度、較好 的阻尼性能，該合金可滿足高阻尼要求的輕質材料或零部件制造的需求。
[0007] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組 成：
[0008] 釓（Gd) 5. 0-9. 0% ；
[0009] 釔（Y) 1. 0-4. 0% ；
[0010] 錫（Sn) 0. 5-5. 0%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
[0011] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組 成：
[0012] 釓（Gd) 5.0-9.0%, 釔（Y) 1.0-4,0%， 錫（Sn) 0.5-5.0%, 鋰（Li) 0-1.0%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
[0013] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量自分比組 成：
[0014] 釓（Gd) 5.5-9.0%, 釔（Y) 1.5-3.5%, 錫（Sn) 1.0-4.5%, 鋰（Li) 0.2-0.8%，余量為鎂，各組分質量百分之和為1.00%。
[0015] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組 成：
[0016] 釓（Gd) 6.0-8.8%， 釔（Y) 1.5-3.0%, 錫（Sn) 2.0-4.0%, 鋰（Li) 0.2-0.8%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
[0017] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組 成：
[0018] 釓（Gd) 6.0-8.8%， 釔（Y) 1.5-3.0%, 錫（Sn) 2.0-4.0%, 鋰（Li) 0.2-0.8%,
[0019] 活性元素 XO-l.O%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
[0020] 所述活性元素 X選自鈧（Sc)、鋁（A1)、鈦（Ti)、碳（C)、銀（Ag)、鋯（Zr)、鈣（Ca)、 銻（Sb)、鑭（La)、鈰（Ce)、銪（Eu)中任意一種。
[0021] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，鑄件經490-5KTC /45-52h固溶，淬 火后，進行210-230°C /14-18h人工時效處理。
[0022] 本發明一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金金采用下述方案制備：選擇在本發 明所指范圍的合金成分，Mg用純鎂的方式加入，其它元素均用中間合金方式加入，在電 阻爐內進行熔煉，熔體經Ar 2氣除氣后澆注、冷卻成鑄錠，合金的熔煉及澆注溫度分別為 770-790°C、730-750°C，從鑄錠上切取試樣，試樣經490-510°C /45-52h固溶后在水中淬火， 隨后進行210-230°C /14-18h時效，得到高強高阻尼鎂合金。
[0023] 根據金屬材料位錯強化理論，鎂合金材料的強化可以采用第二相強化與固溶強 化。本發明通過在鎂合金中加入Gd、Y、Sn和/或Li元素并控制其在合金中的含量，實現了 鎂合金材料的固溶強化和第二相強化。具體機理分析如下：
[0024] 本發明通過合理的組分配比，一方面利用Gd、Y、Sn和/或Li元素與鎂形成第二 相，如 Mg5Gd，Mg3Gd，Mg24Y5, Mg2Y，Mg2Sn，MgSnY，Sn3Y5, MgLi12 等，Gd、Y 元素與基體形成的第 二相可以有效提高合金的強度，而Sn、Li元素與Mg形成的第二相既可以提高合金強度，同 時又可以提高合金延伸率。同時，利用了 Gd、Y、Sn、Li元素在鎂中的固溶特性差異，在材料 制備過程中形成的非平衡和（或）平衡第二相能在晶內分布及在晶界富集，使本發明所制 備的鎂合金具有很高的強度和較好的延伸性能；
[0025] 另一方面，根據金屬阻尼機制形成的位錯型阻尼機制理論，其阻尼機制是位錯運 動被晶體中的缺陷（如點缺陷、其它位錯或者界面等）阻礙而滯后于外加應力而引起的；鎂 基材料的阻尼機制屬于位錯型，位錯型阻尼合金中，合金元素的種類和數量、第二相的種類 和數量、晶粒取向和晶粒尺寸等，對其阻尼性能有很大的影響；因此，本發明在合金基體中 加入Gd、Y、Sn和/或Li，改變了合金中的合金元素的種類和數量，形成了如Mg 5Gd，Mg3Gd， Mg24Y5, Mg2Y，Mg2Sn，MgSnY，Sn3Y5, MgLi12等第二相，同時，稀土元素及活性元素 X的加入，可以 有效改善晶界結構、細化鎂合金基體的晶粒尺寸，使鎂合金的塑性得到提高，通過對合金進 行固溶強化淬火及人工時效處理，大量的強化第二相得以在晶內均勻分布并在晶界富集， 使本發明的鎂合金獲得了較高的阻尼性能及很好的強度。
[0026] 綜上所述，本發明通過對金屬鎂進行組分及配比合理的合金化，可以有效細化合 金晶粒尺寸，提高鎂合金的塑性，同時，有效改善了合金中的合金元素的種類和數量，形成 了大量的第二相；對合金鑄件進行固溶強化、人工時效后，大量的強化第二相得以在晶內均 勻分布并在晶界富集；通過以上多方面的協同作用，使本發明合金具有較高的阻尼性能及 很好的強度。
[0027] 本發明的合金，隨成分配比的不同，其阻尼性能會有差異，但合金材料性能的總體 特征是在室溫條件下極限抗拉強度（〇b)大于260MPa，阻尼性能高于0.01，可以達到綜 合性能優于報道的高阻尼二元鎂合金。
[0028] 本發明中對稀土元素 Gd、Y、Sn、Li的百分含量所作的限制是考慮合金密度與性能 綜合效益后作出的選擇。

【具體實施方式】
[0029] 實施例
[0030] 本發明提供10種不同組分配比的合金，經鑄造、固溶淬火、人工時效后，合金成 分、力學性能、阻尼性能指標見表1。
[0031] 本發明實施例中合金的制備過程為：按表1中確定的1-10種合金成分配稱合金各 組分，Mg用純鎂的方式加入，其它元素均用中間合金方式加入，在電阻爐內進行熔煉，熔體 經Ar 2氣除氣后澆注、冷卻成鑄錠，合金的熔煉及澆注溫度分別為780°C、740°C，從鑄錠上切 取試樣，試樣經500°C /48h固溶后在水中淬火，隨后進行220°C /16h時效，得到高強高阻尼 鎂合金。
[0032] 對制備的高強高阻尼鎂合金，按GB/T18258-2000進行阻尼性能測試；
[0033] 測試儀器：美國TA公司生產的DMA Q800型動態機械熱分析儀，用于測試鎂合金在 低頻強迫振動模式下的阻尼性能；
[0034] 測試方法：阻尼測試米用單懸臂模式，試樣尺寸為35mm X 10mm X 2. 5mm。
[0035] 表 1
[0036]

【權利要求】
1. 一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質量百分比組成： 釓（Gd) 5. 0-9. 0% ； 釔（Y) 1. 0-4. 0% ； 錫（Sn) 0. 5-5.0%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
2. 根據權利要求1所述的一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質 量百分比組成： 釓（Gd) 5.0-9.0%， ?乙（Y) 1.0-4.0%, 錫（Sn) 0.5-5.0%, 鋰（Li) 0-1.0%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
3. 根據權利要求2所述的一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質 量百分比組成： 釓（Gd) 5.5-9.0%， 釔（Y) 1.5-3.5%, 錫（Sn) 1.0-4.5%, 鋰（Li) 0.2-0.8%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
4. 根據權利要求2所述的一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述組分，按質 量百分比組成： 釓（Gd) 6.0-8.8%， 釔（Y) 1.5-3.0%， 錫（Sn) 2.0-4.0%, 鋰（Li) 0.2-0.8%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。
5. 根據權利要求1-4任意一項所述的一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，包括下述 組分，按質量百分比組成： 釓（Gd) 6.0-8.8%， 釔（Y) 1.5-3.0%， 錫（Sn) 2.0-4.0%, 鋰（Li) 0.2-0.8%, 活性元素 X0-1. 0%，余量為鎂，各組分質量百分之和為100%。 所述活性元素 X選自鈧、錯、鈦、碳、銀、锫、興、鋪、鑭、鋪、銪中任意一種。
6. 根據權利要求5所述的一種含稀土元素的高強高阻尼鎂合金，鑄件經 490-510°C /45-52h固溶，淬火后，進行210-230°C /14-18h人工時效處理。
【文檔編號】C22F1/06GK104099508SQ201410362423
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】張新明, 楊柳, 葉凌英, 唐昌平, 崔彬, 張騫, 譚軍, 鄧運來 申請人:中南大學