一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金及其制备方法

摘要

本发明涉及一种低成本高阻尼高强度Mg‑Zn‑Ce合金及其制备方法，各组分的质量百分含量为：Ce=0.4～0.6，Zn≤1.5，Fe≤0.08，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质。制备方法包括：将真空熔炼制备的Mg‑Zn‑Ce合金铸锭在400～450℃均匀化热处理6～15小时；将均匀化处理后的合金在300～360℃进行挤压，挤压前合金铸锭和挤压模具需要在300～360℃保温1～3h；将挤压后的合金在320～380℃热处理2～10小时。本发明通过挤压变形与热处理耦合技术可显著提高Mg‑Zn‑Ce合金阻尼性能，得到低成本高阻尼高强度镁合金，且密度小于1.8g/cm3。本发明工艺简单，可移植性强，且容易操作，材料能同时满足对力学和阻尼性能的实际要求，可广泛应用于航空航天、汽车和轨道交通等领域，以达到轻量化和减振降噪的作用。

权利要求

1.一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于，通过挤压变形和热处理耦合技术实现对镁合金阻尼和力学性能的平衡优化，具体包括如下步骤：（1）按质量百分含量为：Ce=0.4～0.6，Zn≤1.5，Fe≤0.08，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质进行备料，通过真空感应熔炼炉进行熔炼，在700～760℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至610～630℃静置保温5～15分钟，然后盐浴水冷，得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭；其中，Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt%Ce中间合金形式加入；

（2）将步骤（1）得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭在400～450℃均匀化热处理6～15小时；

（3）将步骤（2）均匀化处理后的Mg-Zn-Ce合金和挤压模具在300～360℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度300～360℃，挤压比为25，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；

（4）将步骤（3）挤压后的Mg-Zn-Ce合金在320～380℃热处理2～10小时，最后空冷。

2.根据权利要求1所述的低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于步骤（2）热处理温度为420℃，热处理时间10小时。

3.根据权利要求1所述的低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于步骤（3）挤压温度为330℃，挤压比25。

4.根据权利要求1所述的低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，其特征在于步骤（4）挤压后的Mg-Zn-Ce合金在温度为350℃热处理，热处理时间4小时。

说明书

一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于镁合金材料技术，具体涉及一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备工艺，所述高阻尼是指材料能够达到的阻尼值≥0.01，所述高强度是指材料能够达到的屈服强度≥200MPa。

背景技术

[0002] 随着现代社会的迅猛发展，航空航天、国防军工、汽车以及轨道交通等现代工业逐渐向轻量化、高速化和大功率化方向发展，由此带来的振动和噪声加剧，对于低密度、高比强度和高阻尼金属结构材料的需求越来越紧迫。镁及其合金作为目前阻尼性能最好的金属结构材料之一，同时具有密度小、比强度和比刚度高、导热和导电性能好、电磁屏蔽能力佳、资源丰富和绿色环保可回收利用等一系列优点，受到人们越来越多的关注。镁及镁合金室温阻尼的阻尼机制为位错机制，可动位错密度越高，合金的阻尼性能越好，而提高强度主要是抑制位错的运动，因此普遍认为镁及镁合金的力学性能和阻尼性能是相互矛盾的。为此，解决镁合金阻尼与力学性能之间的矛盾，开发低成本高阻尼高强度镁合金材料成为一个亟待解决的问题。

[0003] 镁合金的阻尼主要与合金中的位错和点缺陷的分布以及形态有关。其中合金中的固溶原子、第二相、晶粒尺寸和取向等的变化均会引起合金中位错和点缺陷的密度、分布形式和运动能力的变化，从而影响合金的阻尼性能。合金化是提高镁合金综合性能的重要手段，添加的合金元素作为固溶原子或第二相将改变合金位错或点缺陷的密度和分布，有报道称含微量的Zr、Si、Mn、Al等元素的二元铸态镁合金的阻尼性能甚至优于纯镁，但它们的力学性能仍然太低，不能满足实际应用需求。挤压、轧制、锻造等塑性变形工艺可以有效改善镁合金的力学性能，但由于形变造成的位错缠结会使合金阻尼性能大幅降低。CN1888108(专利号200610010326.8)公开了一种“高强韧高阻尼变形镁合金及其制备方法”，通过向镁中添加固溶度小和细化晶粒的合金元素，以及对铸锭进行常规热挤压和强烈塑性变形(ECAP，MDF)得到超细晶组织，以期同时提高阻尼和力学性能，抗拉强度和屈服强度分别为212MPa和135MPa，阻尼性能Q-1仅为0.023，不仅性能没有达到预期效果，而且制备工艺复杂。
CN101332560A(专利号200810070092.5)和CN101348890A(专利号200810070113.3)提供了一种提高高强度变形镁合金阻尼性能的塑性加工工艺和热处理工艺，可以改善挤压塑性变形后的镁合金阻尼性能，但是它们只有在应变振幅较高的情况下才具备比较好的阻尼性能，这将限制镁合金阻尼性能的发挥和应用。

[0004] 鉴于此，本发明考虑从合金元素含量较少的镁合金出发，通过挤压变形和热处理耦合技术来实现镁合金阻尼与力学性能的平衡优化，制备一种低成本高阻尼高强度镁合金。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明解决高阻尼镁合金由于力学性能低以及成本高而应用受限的问题，通过挤压变形和热处理耦合技术实现低合金元素Mg-Zn-Ce合金的阻尼和力学性能的平衡优化，提供一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金，还提供其制备方法。

[0006] 解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金，其特征在于，各组分的质量百分含量为：Ce＝0.4～0.6，Zn≤1.5，Fe≤0.08，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质。

[0008] 进一步，本发明还提供一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，通过挤压变形和热处理耦合技术实现对镁合金阻尼和力学性能的平衡优化，具体包括如下步骤：

[0009] (1)按各组分的质量百分含量为：Ce＝0.4～0.6，Zn≤1.5，Fe≤0.08，Mn≤0.02，余量为镁和不可避免的杂质进行备料，通过真空感应熔炼炉进行熔炼，在700～760℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至610～630℃静置保温5～15分钟，然后盐浴水冷，得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭；Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt％Ce中间合金形式加入；

[0010] (2)将步骤(1)得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭在400～450℃均匀化热处理6～15小时；

[0011] (3)将步骤(2)均匀化处理后的Mg-Zn-Ce合金和挤压模具在300～360℃保温1～3h；然后在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度300～360℃，挤压比为25，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；

[0012] (4)将步骤(3)挤压后的Mg-Zn-Ce合金在320～380℃热处理2～10小时，最后空冷。

[0013] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0014] 1、本发明采用Mg-0.53％Zn-0.54％Ce合金，合金元素含量较少、成本低，针对Mg-Zn-Ce合金中的Zn和Ce是有效的强化元素，对阻尼性能不利的因素，通过本方法处理后的镁合金阻尼和力学性能均有明显改善，实现了阻尼和力学的平衡优化，其中经过挤压变形和热处理耦合技术处理后，其阻尼性能高达0.11，远远高于一般的高阻尼材料水平，且屈服强度仍大于200MPa。

[0015] 2、本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，可移植性强，且容易操作，合金元素含量极低，成本低廉，得到了一种低成本高阻尼高强度镁合金材料，解决了镁合金阻尼性能高但力学性能低以及成本高而应用受限的问题，可广泛应用于航空航天、汽车和轨道交通等领域，以达到轻量化和减振降噪的作用。

附图说明

[0016] 图1是对比例1和实施例1的阻尼曲线；

[0017] 图2是对比例2和实施例2的阻尼曲线。具体实施方式：

[0018] 下面通过具体实施例对本发明作详细说明。本实施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，但本发明的保护范围不限于以下实施例。对比例1：一种Mg-Zn-Ce合金的制备方法，包括如下步骤：

[0019] (1)在真空感应熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Zn＝0.53％，Ce＝0.54％添加合金元素。其中，Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt％Ce中间合金形式加入。在750℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至620℃静置保温10分钟，然后盐浴水冷。

[0020] 对采用以上方法制备的Mg-Zn-Ce合金进行性能测试，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1Hz条件下的室温阻尼性能；结果显示铸态Mg-0.53％Zn-0.54％Ce合金的应变为10-3时的阻尼为0.022，属于高阻尼水平。

[0021] 实施例1：一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，包括如下步骤：

[0022] (1)通过真空感应熔炼炉进行熔炼，在750℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至620℃静置保温10分钟，然后盐浴水冷，得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭。其中Zn＝0.53wt％，Ce＝0.54wt％，Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt％Ce中间合金形式加入；

[0023] (2)将Mg-Zn-Ce合金铸锭在420℃均匀化热处理10小时；

[0024] (3)将均匀化处理后的Mg-Zn-Ce合金在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度330℃，挤压比为25，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；

[0025] (4)将挤压后的Mg-Zn-Ce合金在350℃热处理4小时，最后空冷。

[0026] 对采用以上工艺处理的Mg-Zn-Ce合金进行性能测试，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1Hz条件下的室温阻尼性能；力学性能是指合金在室温下的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

[0027] 结果显示，挤压态Mg-0.53％Zn-0.54％Ce合金经过热处理后的抗拉强度为266MPa、屈服强度为201MPa、延伸率为18.0％，应变为10-3时的阻尼为0.11(远超过高阻尼指标≥0.01)，该镁合金的阻尼性能相比对比例1提高了400％，并且高于常见高阻尼镁合金，具有优良的综合性能。且该镁合金的稀土元素的重量百分比小于1％，合金化成本低。

[0028] 对比例2：一种Mg-Zn-Ce合金的制备方法，包括如下步骤：

[0029] (1)在真空感应熔炼炉中，熔炼铸锭，并通入氩气进行保护，按照重量百分比Zn＝1.03％，Ce＝0.56％添加合金元素。其中，Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt％Ce中间合金形式加入。在750℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至620℃静置保温10分钟，然后盐浴水冷。

[0030] 对采用以上方法制备的Mg-Zn-Ce合金进行性能测试，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1Hz条件下的室温阻尼性能。

[0031] 结果显示铸态Mg-0.53％Zn-0.54％Ce合金的应变为10-3时的阻尼为0.029，属于高阻尼水平。

[0032] 实施例2：一种低成本高阻尼高强度Mg-Zn-Ce合金的制备方法，包括如下步骤：

[0033] (1)通过真空感应熔炼炉进行熔炼，在750℃保温并电磁感应搅拌使原料充分熔化，待合金全部熔化后降温至620℃静置保温10分钟，然后盐浴水冷，得到的Mg-Zn-Ce合金铸锭。其中Zn＝1.03wt％，Ce＝0.56wt％，Zn以纯锌形式加入、Ce以Mg-14wt％Ce中间合金形式加入；

[0034] (2)将Mg-Zn-Ce合金铸锭在420℃均匀化热处理10小时；

[0035] (3)将均匀化处理后的Mg-Zn-Ce合金在挤压机上进行挤压，其中采用的工艺参数为：挤压温度330℃，挤压比为25，挤压速度5mm/s，且挤压速度恒定；

[0036] (4)将挤压后的Mg-Zn-Ce合金在350℃热处理4小时，最后空冷。

[0037] 对采用以上工艺处理的Mg-Zn-Ce合金进行性能测试，其中阻尼性能是指合金在应变振幅为0.001，振动频率为1Hz条件下的室温阻尼性能；力学性能是指合金在室温下的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

[0038] 结果显示，挤压态Mg-1.03％Zn-0.56％Ce合金经过热处理后的抗拉强度为246.1MPa、屈服强度为175.7MPa、延伸率为14.5％，应变为10-3时的阻尼为0.057，该镁合金的阻尼性能相比对比例2提高了97％，具有优良的综合性能。且该镁合金的稀土元素的重量百分比小于1.5％，合金化成本低。

[0039] 为了更直观展示本发明的优点，将上述实施例处理后的Mg-Zn-Ce合金的阻尼性能列举在下述表1中。

[0040] 表1处理后的Mg-Zn-Ce合金阻尼和力学性能表。

[0041]

[0042] 根据上述实施例以及表1内容，分析可得：在纯镁中添加微量的Zn和Ce元素，铸态合金的阻尼就达到了高阻尼水平；而经过挤压变形和热处理耦合技术以后，两种合金的阻尼性能相比于铸态合金增加了400％和97％，有非常明显的提高，同时力学性能也维持在较高水平。

[0043] 综上，本发明方法可以制备出低成本高阻尼高强镁合金，该镁合金同时具有良好的力学性能和阻尼性能，能够满足当前发展对材料提出的减振减噪和轻量化的要求，而且本发明的制备工艺，具有通用性广、可移植性强、工艺简单成熟和容易实现等优点，制备得到的高阻尼高强度镁合金可广泛应用于航空航天、国防军工、汽车以及轨道交通等领域。

[0044] 最后应当指出，以上所述实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。