均质化温度对WE43镁合金微观结构及阻尼性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of Homogenization Temperature on Microstructure and Damping Properties of WE43 Magnesium Alloy

　　

摘要

本研究通过在不同温度（375 °C、425 °C、475 °C和525 °C下处理8小时）下对WE43镁合金进行均匀化处理来调控其微观结构，进而研究微观结构变化对其力学性能和阻尼性能的影响。实验结果表明，随着均匀化温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大（从58.62 μm增至112.8 μm）。由于位错紊乱，铸态合金中LAGBs的比例最低。而在525 °C下进行均匀化处理的合金，由于高温下位错移动性增强，促进了位错重排和亚结构网络的形成，因此LAGBs的比例最高。在力学性能方面，525 °C下均匀化处理的合金具有最高的抗拉强度，为200.99 MPa，延伸率为14.6%。室温下的阻尼测试结果与G-L位错理论相符：在0.1%的应变下，铸态合金的阻尼性能更优；而在1%的应变下，525 °C下均匀化处理的合金的阻尼性能优于铸态合金，其阻尼系数提升了45%。高温下的阻尼测试显示，475 °C下均匀化处理的合金出现了P₁和P₂两个峰值；而525 °C下处理的合金的P₁峰强度更高，表明其阻尼能力最佳。

引言

镁合金因其密度低、电磁屏蔽性能优异以及出色的阻尼性能，被广泛应用于汽车、航空航天和电子工业领域。镁合金的阻尼作用主要是通过内部摩擦将振动能量转化为热能，尤其是通过位错运动和晶界滑动来实现。这一过程能有效降低振动并抑制噪音，这一特性在实际应用中非常重要。例如，在汽车变速器中，良好的阻尼性能可以显著减少齿轮啮合产生的噪音，从而提升整车的NVH性能。在精密电子设备或飞机座椅结构中，镁合金还能有效吸收外部冲击，使整个系统更加稳定，使用体验也更舒适[1]。然而，铸态镁合金通常存在晶粒尺寸大、微观结构分布不均以及力学性能相对较低等问题，这些缺陷限制了其在工程领域的进一步应用[2]、[3]、[4]。因此，如何有效改善铸态镁合金的微观结构和性能，已成为亟需解决的关键问题。

与铸态合金相比，经过热处理后的合金具有更高的性能潜力。通过固溶处理、时效处理、轧制等工艺调控微观结构，这类合金能够更好地满足各类部件的需求[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。作为稀土镁合金的典型代表，WE43含有Y和Nd等元素，这些元素能够提升基体的力学性能，使其优于传统镁合金[11]。Sun等人[12]研究了热处理和高温轧制对WE43镁合金抗拉强度的影响，发现铸态合金的抗拉强度仅为184.4 MPa。经过T4固溶处理后，抗拉强度变化不大；经过T6处理后，抗拉强度上升至224.5 MPa；而在500 °C下进行热轧后再经T5处理，WE43合金的抗拉强度可达到352.2 MPa。由此可见，热处理和塑性变形是提升铸态镁合金强度的有效方法[13]、[14]、[15]。

然而，作为塑性变形前的重要预处理步骤，均匀化处理能够有效消除合金中的成分偏析。在高温下保持较长时间可以促使合金元素充分扩散，使得溶质原子从溶质富集的枝晶间区域均匀地转移到溶质贫化的枝晶核心区域[16]、[17]。Zhang等人[15]通过均匀化处理消除了Mg-2Zn-0.1Ca合金中的偏析，释放了残余应力，并降低了位错密度，从而提升了合金的延展性，不过合金的强度先升后降。铸态合金的抗拉强度为122.4 MPa，延伸率为10.66%。在350 °C下处理24小时后，合金的抗拉强度升至138.53 MPa，延伸率也上升至15%；而在400 °C下处理12小时后，延伸率达到了20.8%，但抗拉强度则下降至108.88 MPa。不过，与关于力学性能的研究相比，关于通过微观结构调控均匀化温度对镁合金阻尼性能影响的报道仍然较少。

基于当前的研究现状，本研究选取了商业化的WE43镁合金作为研究对象。这种合金早已被应用于汽车零部件、航空航天等领域[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，表明其在工程应用方面有着坚实的基础。不过，其在振动阻尼方面的潜在应用价值还有待进一步探索。因此，研究其微观结构的调控机制及性能变化具有更为直接的实用意义。在本研究中，高温均匀化处理的上限设定为525 °C，为了形成连续的热处理范围，还分别以50 °C为间隔选取了475 °C、425 °C和375 °C作为低温处理温度。本研究系统分析了WE43镁合金在室温和高温条件下的阻尼行为机制，为开发具有优异力学性能和阻尼性能的镁合金提供了理论依据和实验参考。

章节节选

实验部分

在抗氧化剂的保护下，将Mg（纯度99.95%）、Y（纯度大于99%）、Nd（纯度大于99%）、Gd（纯度大于99%）以及含30 wt.% Zr的镁合金一起放入电阻炉中熔化。将炉温保持在约780 °C，以便各元素充分混合形成均匀的熔体。一旦合金完全熔化，就将其倒入预先加热到200-300 °C的低碳钢模具中用于铸造。合金凝固后，我们检测了其实际成分

方法部分

接着，使用CNC铣床将材料加工成尺寸约为140毫米×70毫米×2毫米的矩形薄块。然后通过电火花线切割技术在板材中心切割出尺寸为8毫米×10毫米×2毫米的金相试样。随后，切割出三个平行的拉伸试样。为了确保测试结果的重复性，每种均匀化处理条件都准备三个平行试样。之后，又切割出了初始尺寸为30毫米×3的阻尼试样

微观结构分析

图3展示了在不同温度下均匀化处理后的WE43合金的显微照片。通过比较铸态合金与四种均匀化处理后合金的微观结构变化，可以看出随着温度的升高，合金的内部均匀性有所提升。在375 °C至475 °C的均匀化处理过程中，原子扩散加剧，促使溶质原子重新分布，从而逐渐减少了成分偏析。值得注意的是，当均匀化温度

室温阻尼行为

图13(a)展示了WE43合金在不同条件下的室温阻尼-应变曲线。横轴表示应变，纵轴则表示阻尼系数，该系数用于评估材料的阻尼性能。Granato-Lück（G-L）理论可用于描述材料在动态载荷作用下的阻尼特性[37]、[38]，该理论能够解释内部摩擦机制对能量耗散的影响。根据G-L理论，

结论

• (1)
  铸态合金的晶粒尺寸最小，为58.62 μm。在375 °C至475 °C的范围内进行均匀化处理后，合金的晶粒平均尺寸从69.06 μm上升至72.67 μm，GND密度逐渐下降，降至最低值0.23×10¹⁴ m^-2，而LAGB的比例则最低，为2.07%。在525 °C下处理时，晶界迁移的驱动力增强，导致合金的晶粒平均尺寸上升至112.8 μm，LAGB的比例升至最高值3.12%，同时基面织构的强度也达到了最大值9.36。

作者贡献说明

韩千月：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿。 孙友平：实验研究，资金筹集。 何江梅：论文撰写——审阅与编辑，资源协调。 张凯飞：正式分析，概念构思

数据可用性

支持本文的研究数据已收录在补充信息中。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了广西重点研发计划（项目编号Gui Ke AB24010188）以及广西科技计划（项目编号Gui Ke AD22080042）的支持。

韩千月|孙友平|何江梅|张凯飞

中国广西壮族自治区柳州市545006，广西科技大学机械与汽车工程学院