新型Mg-Zn-Y-Zr鑄造阻尼合金研究.pdf

1、現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了輕質(zhì)高強(qiáng)、高阻尼和易成形等新的要求，因此采用兼具高強(qiáng)度和高阻尼性能的結(jié)構(gòu)功能一體化鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料是航空航天工業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。準(zhǔn)晶增強(qiáng)鎂合金具有滿足上述需求的可能性，是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但大多數(shù)準(zhǔn)晶鎂合金含有較高的稀土和其他元素，不利于合金的輕量化和低成本化。
　　本課題本著“微量多元”的材料設(shè)計(jì)原則，制備了一系列準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y-Zr系鎂合金，研究了低合金元素條件下準(zhǔn)晶相的形

2、成與合金組織、力學(xué)性能和阻尼性能之間的關(guān)系；揭示了準(zhǔn)晶增強(qiáng)Mg-Zn-Y-Zr合金組織與性能的演變規(guī)律，為高強(qiáng)高阻尼鎂合金的進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　本研究以Mg-0.6％Zr合金為基體合金，首先研究了不同Zn/Y質(zhì)量比時(shí)鑄態(tài)Mg-Zn-Y-Zr合金的相組成、力學(xué)性能和阻尼性能。結(jié)果表明，Zn和Y元素的加入極大地細(xì)化了Mg-0.6％Zr合金的組織；當(dāng)Zn/Y質(zhì)量比為2和3時(shí)，Mg-Zn-Y-Zr合金中主要形成

3、 W-Mg3Y2Zn3相，當(dāng)Zn/Y比升高到5-6時(shí)，合金中的相主要為I-Mg3YZn6準(zhǔn)晶相。W相和I相的形成都對(duì)Mg-Zn-Y-Zr合金的力學(xué)性能有益，其中I相的強(qiáng)化效果更好。將Zn/Y比固定為5，改變Zn和Y元素的含量，得到了含有不同I相含量的Mg-Zn-Y-Zr合金。隨著I相含量的增加，Mg-Zn-Y-Zr合金的室溫抗拉強(qiáng)度得到明顯提高，Mg-3.0％Zn-0.6％Y-0.6％Zr合金(ZWK3)室溫下抗拉強(qiáng)度為206MPa，延

4、伸率為18.6％，應(yīng)變?yōu)?×10-3時(shí)阻尼值達(dá)到了0.03，遠(yuǎn)高于AZ91D鎂合金和商業(yè)純鋁，具有很好的綜合性能。在ZWK3合金中加入不同含量的Nd元素后，在合金中形成了大量的晶間離異共晶，其阻尼性能相對(duì)ZWK3合金有明顯提高，鑄態(tài)Mg-3.0％Zn-0.6％Y-1.2％Nd-0.6％Zr合金(ZWEK3)室溫下抗拉強(qiáng)度為191MPa，延伸率為12.75％，應(yīng)變?yōu)?×10-3時(shí)阻尼值達(dá)到了0.045。
　　其次，對(duì)ZWK3和ZWE

5、K3合金分別進(jìn)行了熱處理工藝研究。結(jié)果表明，高溫退火(350℃×8h)處理后ZWK3合金內(nèi)有球形納米I相和短棒狀納米Mg7Zn3相相析出，ZWEK3合金熱處理后的相變和力學(xué)行為與ZWK3合金相類似，這些析出相使ZWK3合金的抗拉強(qiáng)度升高，延伸率有所下降，鑄態(tài)和高溫退火態(tài)合金的強(qiáng)化機(jī)制以準(zhǔn)晶界面強(qiáng)化為主，高溫退火后合金抗拉強(qiáng)度為222MPa，延伸率為15.1％；T4(425℃×8h)處理后合金內(nèi)合金相大部分都分解固溶，僅有鑄態(tài)下和高溫下析

6、出的納米I相，合金的強(qiáng)化機(jī)制以準(zhǔn)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化為主，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值224MPa，延伸率達(dá)到16％以上；T6(425℃×8h+175℃×24h)熱處理后合金內(nèi)有大量彌散的納米MgZn2相析出，還發(fā)現(xiàn)有少量長(zhǎng)周期組織，T6處理后大量彌散的納米析出相是合金強(qiáng)度升高的主要原因。T6處理后ZWEK3合金的強(qiáng)度上升更加明顯，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了238MPa。拉伸后的T4態(tài) ZWK3合金中出現(xiàn)了大量孿晶，分析認(rèn)為孿晶的出現(xiàn)是合金強(qiáng)度升高時(shí)保持高延伸

7、率的主要因素。熱處理態(tài)ZWK3合金在200℃下強(qiáng)度有所下降，但延伸率大幅度上升，最高達(dá)到了25％。
　　然后，對(duì)ZWK3合金進(jìn)行了高溫?cái)D壓成形研究，擠壓比為9:1。ZWK3合金在高溫?cái)D壓過程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的部分出現(xiàn)了大量孿晶，隨著擠壓溫度的升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的范圍加大，同時(shí)晶粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)。經(jīng)過熱擠壓后ZWK3合金的平均晶粒尺寸相對(duì)鑄態(tài)急劇下降，由169μm下降到10μm以下。晶粒細(xì)化使得合金的屈服強(qiáng)度提高明

8、顯，最高達(dá)到了250MPa，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到285MPa，不同擠壓態(tài)合金的延伸率均維持在11％以上。室溫下ZWK3合金的變形機(jī)制以孿生為主，克服了鎂合金滑移系少、塑性差的缺點(diǎn)，室溫下合金的延伸率均達(dá)到了10％以上，最高可達(dá)20％。同時(shí)也研究了ZWK3合金的鑄造成形性能。ZWK3和ZWEK3合金都具有良好的流動(dòng)性，ZWK3合金的薄壁充型性能優(yōu)于AZ91D商用鎂合金，在一定充型條件下其充型性能ZL101接近，具有優(yōu)異的液態(tài)成形能力，是一種新

9、型的鑄造阻尼鎂合金。
　　最后，對(duì)鑄態(tài)和熱處理態(tài)ZWK3和ZWEK3合金的阻尼機(jī)制進(jìn)行了分析，結(jié)果表明兩種合金的部分阻尼行為可由G-L位錯(cuò)模型解釋。新型合金中的I相改變了合金阻尼性能的變化趨勢(shì)，I相/基體界面不滋生位錯(cuò)，在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)對(duì)阻尼性能影響不大。T6態(tài)ZWK3和ZWEK3合金中位錯(cuò)線可動(dòng)性最差，但阻尼性能優(yōu)于其他狀態(tài)合金，在兩種合金內(nèi)發(fā)現(xiàn)的細(xì)長(zhǎng)帶狀納米孿晶提供了新的阻尼來源。納米孿晶界面在交變外力作用下發(fā)生切變滑移，