專利名稱：：高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及既具有高阻尼特性又能改善其力學(xué)性能的鎂合金材料技術(shù)，特別是一種高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，所述合金是一種五元鎂合金，包括Mg、Cu、Mn、Y和Zn五種合金元素，所述高阻尼是指材料能夠達(dá)到的阻尼值彡0.01，所述高強(qiáng)是指材料能夠達(dá)到的抗拉強(qiáng)度>300MPa。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代武器裝備發(fā)展的日趨輕量化、高速化和大功率化，由此引起的振動(dòng)和噪聲問題變得尤為突出。此外，各種交通工具、3C產(chǎn)品(Computer、Communication、ConsumptionElectronicsProducts)對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化和減振降噪性提出了更為迫切的要求。因此，低密度、高比強(qiáng)度、高阻尼金屬結(jié)構(gòu)材料是航空航天、新型武器裝備及現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中緊迫的材料需求之一。鎂是最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料，滿足輕量化的需求，鎂同時(shí)也是阻尼性能最好的金屬材料，滿足減振降噪的需求。純鎂阻尼性能優(yōu)良(比阻尼系數(shù)>60%)，但強(qiáng)度太低。而鎂合金(Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr)強(qiáng)化機(jī)制主要為固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等，但溶質(zhì)原子和析出相對(duì)鎂基面位錯(cuò)滑移的強(qiáng)釘扎導(dǎo)致阻尼性能大大降低(比阻尼系數(shù)510%)0解決鎂合金阻尼性能和力學(xué)性能之間的矛盾是一個(gè)亟待解決的重要問題。日本學(xué)者Nishiyama在《JournalofAlloysandCompounds))(2003,33522)上發(fā)表的《DampingpropertiesofasinteredMg-Cu-Mnalloy》一文中提出，通過利用粉末冶金技術(shù)制備的CM31(Mg-3wt.%Cu-lwt.%Mn)燒結(jié)合金，斷裂強(qiáng)度達(dá)到了290Mpa，阻尼性能在高應(yīng)變階段甚至超過了純Mg，引起了廣泛關(guān)注。然而，由于制備成本較高、性能不穩(wěn)定、耐腐蝕性差，從而限制了該合金的應(yīng)用范圍。鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu)中，具有多個(gè)滑移系和多種滑移方式，但是在合金化元素的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化中所產(chǎn)生的位錯(cuò)釘扎現(xiàn)象破壞了形成阻尼所依賴的原有的位錯(cuò)機(jī)制。發(fā)明人認(rèn)為，如果鎂合金中的合金元素不僅能夠形成固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制，而且能夠同時(shí)在鎂基體中形成大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，則可以通過這些在鎂基體中新增加的可動(dòng)位錯(cuò)來保持鎂的阻尼性能，或者說提高鎂合金的阻尼性能，從而達(dá)到其力學(xué)性能和阻尼性能平衡優(yōu)化的技術(shù)效果。因此，選擇在鎂中添加多種合金元素得到一種多元化鎂合金體系，采用常規(guī)設(shè)備獲得其鑄態(tài)合金并將鑄態(tài)合金加工成擠壓態(tài)合金，從而解決鎂合金阻尼性能和力學(xué)性能之間的矛盾，拓展鎂合金的商業(yè)化應(yīng)用范圍，有效提高其市場競爭力，成為了本發(fā)明人的研發(fā)課題。本發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，完成了本發(fā)明。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，所述合金是一種五元鎂合金，包括Mg、Cu、Mn、Y和Zn五種合金元素，所述高阻尼是指材料能夠達(dá)到的阻尼值>0.01，所述高強(qiáng)是指材料能夠達(dá)到的抗拉強(qiáng)度彡300MPa。所述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金不是粉末冶金，而是通過熔煉澆鑄得到鑄態(tài)合金后擠壓加工而成的擠壓態(tài)合金，工藝簡單，成本低廉，能夠達(dá)到其力學(xué)性能和阻尼性能平衡優(yōu)化的技術(shù)效果。本發(fā)明人經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究后認(rèn)為Mg、Zn和Y能夠在鎂合金中形成準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶或長周期相會(huì)在鎂基體中引入大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，因此既兼顧了固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化機(jī)制，又通過這些在鎂基體中新增加的可動(dòng)位錯(cuò)來提高鎂合金的阻尼性能，從而能夠解決鎂合金阻尼性能和力學(xué)性能之間的矛盾。本發(fā)明的技術(shù)方案如下高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，以高阻尼的Mg-Cu-Mn合金為基礎(chǔ)，向其中添加一定范圍的Y和Zn元素，包括以下合金化元素成份及其百分比重量含量值Cu=1.04.0，Mn=0.31.5，Y=0.34.0，Zn=1.05.5，余量為鎂。所述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在鎂合金中與Mg一起形成了準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶和/或長周期相在鎂基體中引入了新的可動(dòng)位錯(cuò)，可以保證合金在經(jīng)過擠壓后力學(xué)性能大幅提高的同時(shí)，仍然具有較好的阻尼性能。上述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，采用真空熔煉、精煉、澆鑄得到合金鑄錠；然后對(duì)合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其工藝參數(shù)為溫度3800C士10°C，時(shí)間1218小時(shí)；最后擠壓成擠壓態(tài)合金，其中采用的工藝參數(shù)為擠壓溫度350°C士10°C，擠壓比為20-25，在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓速度恒定。所述Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中來源于原料的雜質(zhì)元素成份及其百分比重量含量值控制如下Si和Fe的總量值<0.1。所述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金不是粉末冶金，而是通過熔煉澆鑄得到鑄態(tài)合金后擠壓加工而成的擠壓態(tài)合金。所述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在鎂合金中與Mg一起形成了準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶和/或長周期相在鎂基體中引入了新的可動(dòng)位錯(cuò)，從而提高了鎂合金的阻尼性能。上述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，包括配料步驟，所述配料采用工業(yè)純鎂原料、純Zn原料、Mg-Cu中間合金原料、Mg-Mn中間合金原料和Mg-Y中間合金原料。所述工業(yè)純鎂，其鎂含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.9%；所述純Zn，其Zn含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.9%；所述Mg-Cu中間合金，其重量成分為Mg-30%Cu；所述Mg-Mn中間合金，其重量成分為Mg-4.1%Μη；所述Mg-Y中間合金，其重量成分為Mg_30.30%Y。還包括熔煉步驟，所述熔煉是指先在保護(hù)氣氛下完全熔化工業(yè)純鎂原料，再加入純Zn原料、Mg-Cu中間合金原料、Mg-Mn中間合金原料和Mg-Y中間合金原料，并完全熔化，然后進(jìn)行精煉處理。還包括澆鑄成鑄態(tài)合金并進(jìn)行均勻化處理的步驟和擠壓成擠壓態(tài)合金的步驟，所述澆鑄成鑄態(tài)合金是指將精煉處理后的液態(tài)合金澆鑄成鑄錠；所述均勻化處理采用的工藝參數(shù)為溫度380°C士10°C，時(shí)間1218小時(shí)。所述擠壓成擠壓態(tài)合金采用的工藝參數(shù)為擠壓溫度350°C士10°C，擠壓比為20-25，在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓速度恒定。本發(fā)明的技術(shù)效果如下高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，其特征在于，包括Mg和分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值Cu=1.04.0，Mn=0.31.5，Y=0.34.0，Ζη=1.05.5。為了解決鎂合金的阻尼性能與力學(xué)性能的矛盾，本發(fā)明提出在高阻尼Mg-Cu-Mn合金中加入Zn和Y元素，以便使Mg、Zn、Y在合金中形成準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶或長周期相會(huì)在鎂基體中引入大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，通過這些在鎂基體中新增加的可動(dòng)位錯(cuò)來提高鎂合金的阻尼性能，然后對(duì)合金進(jìn)行常規(guī)熱擠壓，提高合金的力學(xué)性能。由于準(zhǔn)晶或長周期相在鎂基體中引入了大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，可以保證合金在經(jīng)過擠壓后力學(xué)性能大幅提高的同時(shí)，仍然具有較好的阻尼性能，從而解決鎂合金阻尼性能和力學(xué)性能之間的矛盾。本發(fā)明工藝簡單，所用設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，可移植性強(qiáng)，且容易操作，成本較低，解決了Mg合金由于阻尼性能高但力學(xué)性能低而限制其應(yīng)用的難題。本發(fā)明的一種高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，以高阻尼Mg-Cu-Mn合金為基礎(chǔ)，添加少量的Y，Zn元素提高以提高阻尼性能和力學(xué)性能。本發(fā)明所涉及的含Y，Zn元素的Mg-Cu-Mn合金在鑄態(tài)下具有優(yōu)良的阻尼性能(Mg_2.2wt.%Cu-0.8wt.%Mn-1.5wt.%Zn-0.5wt.%Y合金在高應(yīng)變階段阻尼性能超過Mg_3wt.%Cu-lwt.%Mn鑄態(tài)合金并接近純鎂)，經(jīng)過擠壓后力學(xué)性能大幅提高且仍具有高阻尼特性。本發(fā)明工藝簡單，所用設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，可移植性強(qiáng)，且容易操作，成本較低，解決了Mg合金由于阻尼性能高但力學(xué)性能低而限制其應(yīng)用的難題。本發(fā)明首先通過在CM31(Mg-3wt.%Cu-lwt.%Mn)合金中添加0.34.Owt.%Y和1.05.5wt.%Zn元素提高其阻尼性能，因?yàn)镸g，Zn,Y可能會(huì)在合金中形成準(zhǔn)晶或長周期相，這些準(zhǔn)晶或長周期相會(huì)在基體中引入大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，提高合金的阻尼性能。然后通過對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行擠壓變形大幅提高合金的力學(xué)性能。擠壓后盡管合金的阻尼性能有損失，但擠壓態(tài)合金仍然具有高阻尼特性，并且力學(xué)性能較鑄態(tài)得到大幅提高。本發(fā)明中，Zn的加入可以提高合金力學(xué)性能，因?yàn)閆n元素在Mg合金中具有較好的固溶強(qiáng)化效果。Y的加入可以細(xì)化晶粒，提高合金力學(xué)性能。此外，Mg，Zn，Y可能會(huì)在合金中形成準(zhǔn)晶或長周期相，這些準(zhǔn)晶或長周期相會(huì)在基體中引入大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，提高合金的阻尼性能。將鑄態(tài)Mg-Cu-Mn合金進(jìn)行380°CX15h的均勻化處理后，在350°C進(jìn)行擠壓塑性變形，大幅提高合金的力學(xué)性能。擠壓后盡管合金的阻尼性能有損失，但擠壓態(tài)合金仍然具有高阻尼特性，并且力學(xué)性能較鑄態(tài)得到大幅提高。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明所涉及的阻尼Mg合金具有高阻尼特性，在金屬阻尼材料的研究中，一般認(rèn)為材料的阻尼值超過0.01，就可以認(rèn)為是高阻尼材料。此外該合金也具有較高的力學(xué)性能，其中擠壓態(tài)Mg-2.2wt.%Cu-o.8wt.%Mn-1.5wt.%Zn-0.5wt.%Y合金的室溫抗拉強(qiáng)度為315MPa，屈服強(qiáng)度為267MPa，延伸率為9%，而擠壓態(tài)Mg_2.4wt.%Cu_l.Owt.%Mn-4.7wt.%Zn-1.9wt.%Y合金的合金室溫抗拉強(qiáng)度為347MPa，屈服強(qiáng)度為386MPa，延伸率為2.6%，能夠滿足各種減振系統(tǒng)對(duì)輕合金，特別是阻尼鎂合金的需求。2、相對(duì)于燒結(jié)鎂銅錳合金所采用的粉末冶金技術(shù)設(shè)備，本發(fā)明所采用的普通冶煉技術(shù)設(shè)備，具有通用性廣，可移植性強(qiáng)，工藝簡單成熟，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)施例方式在“高阻尼高強(qiáng)多元化鎂合金體系”的研究與開發(fā)中，總的技術(shù)構(gòu)思是，通過在鎂基中調(diào)整各協(xié)同作用的合金化元素及其含量以獲得鎂合金在力學(xué)性能和阻尼性能平衡優(yōu)化的技術(shù)效果，從而解決鎂合金阻尼性能和力學(xué)性能之間的矛盾。具體實(shí)施方式一本實(shí)施方式的高阻尼高強(qiáng)鎂合金為Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，各組分的重量百分比為Cu=2.2%，Mn=0.8%，Y=0.5%，Zn=1.5%，不可避免的雜質(zhì)為Si、Fe，其總量<0.1%，余量為鎂。將純度大于99.9%的工業(yè)純鎂放入預(yù)熱至300°C陶瓷坩堝中加熱熔化，通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，在700°C按照重量百分比Cu=2.8%,Mn=0.9%,Y=0.5%,Zn=1.5%添加合金元素。其中Cu，Mn，Y，Zn分別以Mg_30wt.%Cu中間合金、Mg-4.Iwt.%Mn中間合金、Mg-30.30wt.%Y中間合金、純Zn形式加入。繼續(xù)升溫到850°C，保溫并攪拌使中間合金充分熔化，待合金全部融化后在850°C保溫下3分鐘；加精煉劑進(jìn)行3分鐘精煉處理，精煉完后再次在750°C下靜置10分鐘，然后進(jìn)行澆鑄。鎂合金的性能見表具體實(shí)施方式二將所熔煉的鎂合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其工藝參數(shù)為溫度380°C，時(shí)間15小時(shí)。均勻化處理后，對(duì)鎂合金鑄錠進(jìn)行常規(guī)熱擠壓，擠壓溫度為350°C，擠壓比為20-25，擠壓速度恒定。鎂合金的性能見表1，其中阻尼性能是指合金在應(yīng)變振幅為0.001，振動(dòng)頻率為IHZ條件下的室溫阻尼性能。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同之處在于，純鎂熔化并升溫至700°C后，按照重量百分比Cu=2.4%，Mn=1.0%，Y=1.9%,Zn=4.7%添加合金元素。鎂合金的性能見表1，其中阻尼性能是指合金在應(yīng)變振幅為0.001，振動(dòng)頻率為IHZ條件下的室溫阻尼性能。具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同之處在于，對(duì)鎂合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其工藝參數(shù)為溫度380°C，時(shí)間15小時(shí)。均勻化處理后，對(duì)鎂合金鑄錠進(jìn)行常規(guī)熱擠壓，擠壓溫度為350°C，擠壓比為20-25，擠壓速度恒定。鎂合金的性能見表1，其中阻尼性能是指合金在應(yīng)變振幅為0.001，振動(dòng)頻率為IHZ條件下的室溫阻尼性能。表1高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的力學(xué)性能與阻尼性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>應(yīng)當(dāng)指出，以上所述實(shí)施方式可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。因此，盡管本說明書對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。權(quán)利要求高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5，余量為鎂。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金，其特征在于，所述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金中的合金化元素成份Zn和Y在鎂合金中與Mg—起形成了準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶和/或長周期相在鎂基體中引入了新的可動(dòng)位錯(cuò)，可以保證合金在經(jīng)過擠壓后力學(xué)性能大幅提高的同時(shí)，仍然具有較好的阻尼性能。3.上述高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金的制造方法，其特征在于，采用真空熔煉、精煉、澆鑄得到合金鑄錠；然后對(duì)合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，其工藝參數(shù)為溫度3800C士10°C，時(shí)間1218小時(shí)；最后擠壓成擠壓態(tài)合金，其中采用的工藝參數(shù)為擠壓溫度350°C士10°C，擠壓比為20-25，在擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，擠壓速度恒定。全文摘要高阻尼高強(qiáng)Mg-Cu-Mn-Zn-Y合金及其制造方法，其特征在于，包括分布于合金中的以下合金化元素成份及其百分比重量含量值Cu＝1.0～4.0，Mn＝0.3～1.5，Y＝0.3～4.0，Zn＝1.0～5.5，余量為鎂。為了解決鎂合金的阻尼性能與力學(xué)性能的矛盾，本發(fā)明提出在高阻尼Mg-Cu-Mn合金中加入Zn和Y元素，以便使Mg、Zn、Y在合金中形成準(zhǔn)晶和/或長周期相，這些準(zhǔn)晶或長周期相會(huì)在鎂基體中引入大量新的可動(dòng)位錯(cuò)，通過這些在鎂基體中新增加的可動(dòng)位錯(cuò)來提高鎂合金的阻尼性能，然后對(duì)合金進(jìn)行常規(guī)熱擠壓，提高合金的力學(xué)性能。本發(fā)明工藝簡單，所用設(shè)備為常規(guī)通用設(shè)備，可移植性強(qiáng)，且容易操作，成本較低，解決了Mg合金由于阻尼性能高但力學(xué)性能低而限制其應(yīng)用的難題。文檔編號(hào)C22C23/04GK101805864SQ20101013962公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年4月6日優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日發(fā)明者李龍,柳青,潘復(fù)生,王敬豐,魏文文申請(qǐng)人:重慶大學(xué)