一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料及其制備方法，包括以下組份：體積比為5～30∶95～70的鈦鎳銅合金顆粒和鋁基粉體；所述鈦鎳銅合金顆粒中，按重量計包括以下組份：鈦30～55％；鎳25～45％；銅5～25％。所述鈦鎳銅合金顆粒采用真空熱等靜壓法加入到鋁基中。本發(fā)明通過對鈦鎳銅顆粒成分范圍、顆粒尺寸及其在復(fù)合材料中的組分設(shè)計與控制，使鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的阻尼性能達(dá)到最優(yōu)的效果，同時力學(xué)性能也能得到一定的提升。本發(fā)明制得的復(fù)合材料，其阻尼參數(shù)在室溫附近達(dá)到0.05～0.1之間，比傳統(tǒng)鋁合金的阻尼值提高一個數(shù)量級以上。
【專利說明】一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料，尤其涉及的是一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速、高效和自動化，隨之引起的振動、噪聲和疲勞斷裂問題亦越來越突出。振動和噪聲，限制機(jī)械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。通過材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，使振動能量通過其它能量形式散去，是關(guān)鍵的阻尼技術(shù)之一。研發(fā)同時具有減振降噪及優(yōu)良力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，是解決這一問題的主要途徑。
[0003]傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料鋁合金廣泛應(yīng)用與各個工業(yè)領(lǐng)域，比如汽車、高鐵、航天航空等。科研人員開發(fā)了一些具有高阻尼功能的鋁合金，比如鋁鋅合金，通過加入稀土元素和合適的熱處理工藝，不僅可以提高耐磨和耐蝕性，也獲得很好的阻尼性能，其阻尼參數(shù)(內(nèi)耗值)達(dá)到6X10_3級別，顯著高于普通的鋁合金。但是，這款高阻尼鋁合金的力學(xué)性能不高，阻尼性能方面與現(xiàn)代工業(yè)的實際需求仍然有較大的差距。
[0004]目前，研宄人員發(fā)現(xiàn)的具有最高阻尼能力的合金是形狀記憶合金，該合金發(fā)生馬氏體相變之后，具有易迀動的孿晶結(jié)構(gòu)，在振動過程中，孿晶結(jié)構(gòu)對于振動能的轉(zhuǎn)移耗散非常有效。通過合適的成分調(diào)控和熱處理工藝，鎳鈦銅合金的阻尼參數(shù)(內(nèi)耗值)達(dá)到0.08?0.2的級別。但是鎳鈦基形狀記憶合金本身成本較高，加工性能很差，大多數(shù)形狀記憶合金的馬氏體相變溫度偏低，難以在室溫以上獲得易迀動孿晶，不符合廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料及其制備方法，增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料阻尼性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下組份:
[0007]體積比為5?30: 95?70的鈦镲銅合金顆粒和銷基粉體；所述鈦镲銅合金顆粒中，按重量計包括以下組份:鈦30?55% ;鎳25?45% ;銅5?25%。
[0008]所述鈦鎳銅合金顆粒和鋁基粉體的體積比為20: 80。鈦鎳銅顆粒組分選擇對于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的各項性能以及成本控制也十分重要。經(jīng)過大量試驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)鈦鎳銅顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%以上時，復(fù)合材料展現(xiàn)出較為優(yōu)異的阻尼性能，而當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過20%后，阻尼性能趨于穩(wěn)定，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過30%后而力學(xué)性能有降低的趨勢。
[0009]所述鈦镲銅合金顆粒的粒徑為0.2?40 μm。在一定的范圍內(nèi)，大尺寸的镲鈦銅顆粒對鋁合金基體的強(qiáng)化效果不顯著，制備成鋁基復(fù)合材料之后，力學(xué)性能會有所降低。另一方面，鎳鈦銅顆粒的尺寸越小，特別是當(dāng)顆粒直徑低于100納米后，相變溫度會有顯著降低，難以確保室溫下的馬氏體孿晶組織，同時帶入更多的氧化物等缺陷。
[0010]鈦鎳銅合金顆粒的制備通過傳統(tǒng)的霧化法可以制備不同直徑的合金顆粒，然后按照需求在相應(yīng)的范圍篩選獲得所需的鈦鎳銅合金顆粒。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述鋁基粉體的粒徑大于鈦鎳銅合金顆粒的粒徑。
[0012]一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料的制備方法，所述鈦鎳銅合金顆粒采用真空熱等靜壓法加入到鋁基中。
[0013]所述真空熱等靜壓法包括以下步驟:
[0014](I)在真空下，將鋁基粉體和鈦鎳銅合金顆?；旌蠑嚢杈鶆?；
[0015](2)將混勻的粉末放入模具，然后將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐；
[0016](3)控制真空度小于3 X l(T3Pa，溫度在380°C?550°C之間，壓力10?30MPa，在高溫區(qū)域等溫時間30?200分鐘；
[0017](4)熱處理結(jié)束后，出模取樣即可。
[0018]在操作過程中，盡量避免氧化。將鋁基粉體和鈦鎳銅合金顆粒配料后，加入攪拌機(jī)中，抽真空至IPa以下，充入氬氣，至少反復(fù)3次，開始攪拌直至均勻。
[0019]作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述步驟(3)中，加入99.999%的高純氬氣作為保護(hù)氣體。
[0020]鈦鎳銅合金顆粒是阻尼源，保證其在常規(guī)使用溫度下具有高阻尼能力的前提是微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。本發(fā)明通過成分設(shè)計，確保馬氏體相變溫度高于50°C，從而在室溫至極低溫度范圍保持易迀動的孿晶組織。
[0021]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:本發(fā)明通過對鈦鎳銅顆粒成分范圍、顆粒尺寸及其在復(fù)合材料中的組分設(shè)計與控制，使鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的阻尼性能達(dá)到最優(yōu)的效果，同時力學(xué)性能也能得到一定的提升。本發(fā)明制得的復(fù)合材料，其阻尼參數(shù)在室溫附近達(dá)到0.05?0.1之間，比傳統(tǒng)鋁合金的阻尼值提高一個數(shù)量級以上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是測試本發(fā)明制得復(fù)合材料的阻尼性能隨溫度變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0024]實施例1
[0025]選擇鈦鎳銅合金顆粒的成分為:鈦:50.3% ;鎳:30.2% ;銅:19.5% ;
[0026]選用的鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為:0.4 μ m左右；
[0027]選擇鈦鎳銅合金在復(fù)合材料中的體積比重為:20% ；
[0028]選擇商用純鋁粉作為基體材料，顆粒直徑為30 μ m左右；
[0029]本實施例制備鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的具體工藝包括:
[0030](I)真空混料，將鋁合金粉體和鈦鎳銅合金顆粒按目標(biāo)體積比配料，加入攪拌機(jī)中，抽真空至IPa以下，充入氬氣，反復(fù)3次，開始攪拌直至均勻；
[0031](2)混合工藝結(jié)束后，將均勻混合后的粉料放入圓柱狀模具，將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐，調(diào)試設(shè)備各種參數(shù)；
[0032](3)設(shè)置各項參數(shù)，開始對燒結(jié)爐抽真空，直至真空度小于3X10_3Pa，燒結(jié)溫度設(shè)置為450°C，壓力設(shè)置為15MPa，實際壓力為16.3MPa，升降溫速率為4°C /分鐘，在450°C等溫60分鐘；
[0033](4)熱處理結(jié)束后，去除壓力載荷，開爐取樣，獲得性能良好的鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材。
[0034]實施例2
[0035]本實施例的鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為μ m左右，其他實施方式和實施例1相同。
[0036]實施例3
[0037]選擇鈦鎳銅合金顆粒的成分為:鈦:50.6% ;鎳:26.3% ;銅:23.1% ；
[0038]選用的鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為:4 μ m左右；
[0039]選擇鈦鎳銅合金在復(fù)合材料中的體積比重為:15% ；
[0040]選擇商用純鋁粉作為基體材料，顆粒直徑為30 μ m左右；
[0041]本實施例制備鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的具體工藝包括:
[0042](I)真空混料，將鋁合金粉體和鈦鎳銅合金顆粒按目標(biāo)體積比配料，加入攪拌機(jī)中，抽真空至IPa以下，充入氬氣，反復(fù)3次，開始攪拌直至均勻；
[0043](2)混合工藝結(jié)束后，將均勻混合后的粉料放入圓柱狀模具，將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐，調(diào)試設(shè)備各種參數(shù)；
[0044](3)設(shè)置各項參數(shù)，開始對燒結(jié)爐抽真空，直至真空度小于3X 10_3Pa，燒結(jié)溫度設(shè)置為390°C，壓力設(shè)置為28MPa，實際壓力為26.9MPa，升降溫速率為4°C /分鐘，在390°C等溫150分鐘；
[0045](4)熱處理結(jié)束后，去除壓力載荷，開爐取樣，獲得性能良好的鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材。
[0046]實施例4
[0047]本實施例的鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為:10 μ m左右，其他實施方式和實施例3相同。
[0048]實施例5
[0049]選擇鈦鎳銅合金顆粒的成分為:鈦:49.5% ;鎳:40.7% ;銅:9.8% ;
[0050]選用的鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為:20 μ m左右；
[0051 ] 選擇鈦鎳銅合金在復(fù)合材料中的體積比重為:10 % ;
[0052]選擇商用純鋁粉作為基體材料，顆粒直徑為30 μ m左右；
[0053]本實施例制備鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的具體工藝包括:
[0054](I)真空混料，將鋁合金粉體和鈦鎳銅合金顆粒按目標(biāo)體積比配料，加入攪拌機(jī)中，抽真空至IPa以下，充入氬氣，反復(fù)3次，開始攪拌直至均勻；
[0055](2)混合工藝結(jié)束后，將均勻混合后的粉料放入圓柱狀模具，將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐，調(diào)試設(shè)備各種參數(shù)；
[0056](3)設(shè)置各項參數(shù)，開始對燒結(jié)爐抽真空，直至真空度小于3X 10_3Pa，燒結(jié)溫度設(shè)置為480°C，壓力設(shè)置為20MPa，實際壓力為20.7MPa，升降溫速率為4°C /分鐘，在480°C等溫50分鐘；
[0057](4)熱處理結(jié)束后，去除壓力載荷，開爐取樣，獲得性能良好的鈦鎳銅合金顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材。
[0058]如圖1所示，將實施例1?5制得的復(fù)合材料的阻尼性能通過阻尼測試設(shè)備DMA進(jìn)行評估，其阻尼參數(shù)(內(nèi)耗值)在室溫附近(300K)達(dá)到0.05?0.1之間，比傳統(tǒng)鋁合金的阻尼值提高一個數(shù)量級以上。
【權(quán)利要求】
1.一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料，其特征在于，包括以下組份: 體積比為5?30: 95?70的鈦鎳銅合金顆粒和鋁基粉體；所述鈦鎳銅合金顆粒中，按重量計包括以下組份:鈦30?55% ;鎳25?45% ;銅5?25%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述鈦鎳銅合金顆粒和鋁基粉體的體積比為20: 80。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述鈦鎳銅合金顆粒的粒徑為0.2?40 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料，其特征在于，所述鋁基粉體的粒徑大于鈦鎳銅合金顆粒的粒徑。
5.如權(quán)利要求1?4任一項所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述鈦鎳銅合金顆粒采用真空熱等靜壓法加入到鋁基中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述真空熱等靜壓法包括以下步驟: (1)在真空下，將鋁基粉體和鈦鎳銅合金顆?；旌蠑嚢杈鶆?； (2)將混勻的粉末放入模具，然后將模具放入真空熱壓燒結(jié)爐； (3)控制真空度小于3Xl(T3Pa，溫度在380°C?550°C之間，壓力10?30MPa，在高溫區(qū)域等溫時間30?200分鐘； (4)熱處理結(jié)束后，出模取樣即可。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中，將鋁基粉體和鈦鎳銅合金顆粒配料后，加入攪拌機(jī)中，抽真空至IPa以下，充入氬氣，至少反復(fù)3次，開始攪拌直至均勻。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高阻尼高強(qiáng)度鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，加入99.999%的高純氬氣作為保護(hù)氣體。
【文檔編號】C22C21/00GK104498750SQ201410790975
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】占靜玲 申請人:南京九致信息科技有限公司