CN101386949A - 一种高强高阻尼复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强高阻尼复合材料及其制备方法，材料为近等原子比TiNi与Al－12％Si复合材料。在自蔓延制备的具有大量开孔结构的多孔TiNi合金的基础上，采用挤压铸造工艺，向多孔TiNi合金的中渗入Al－12％Si合金，在700±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为100±10MPa，挤压时间30－40s，完全凝固后，开模取出铸件，制备成TiNi/AlSi复合材料。该复合材料拥有类似TiNi合金的相变特性，压缩强度较多孔TiNi合金明显提高，并且复合材料具有高于多孔TiNi和AlSi合金的阻尼性能，特别是相变点温度以上的阻尼性能较高。本发明扩大了多孔TiNi合金作为减振材料的使用范围，满足高强度高阻尼的结构功能一体化材料的使用要求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高强高阻尼复合材料及其制备方法，具体的说是通过向多孔TiNi合金中渗入Al-12％Si合金，制备出一种新颖的拥有高强度高阻尼性能的复合材料。
背景技术：
随着现代工业的发展，人们除了对机械提出高性能、高效率、高精度的要求外，对于由机械装置引起的振动、噪声及其对环境污染的治理也日益重视。如何减少振动和抑制噪声是一个急需解决的重要课题。作为解决方法之一，高阻尼合金直接用于振源对减振降噪具有明显的效果。在众多高阻尼合金材料中，由于多孔TiNi合金同时具有马氏体相变特性以及多孔的微观组织结构，拥有很好的阻尼减振性能，吸引了广泛的注意。但是由于在受力状态下易在孔壁边缘产生应力集中或微裂纹，导致多孔TiNi合金的力学性能特别是压缩强度较低，并且其高阻尼性能也仅仅限于马氏体状态，当温度升高材料发生马氏体向奥氏体转变后，阻尼性能明显降低，这些限制了多孔TiNi合金作为高强高阻尼材料在工程领域的进一步应用。
目前，我们已经通过自蔓延方法成功制备具有大空隙尺度的多孔TiNi合金，该方法较其他方法而言具有方法简单，产品尺寸可控，合成速度快，孔隙度高，杂质少等优点，因此在本发明专利中多孔TiNi合金的制备采用自蔓延方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种具有高强高阻尼性能的TiNi/AlSi复合材料及其制备工艺，通过向多孔TiNi合金中渗入Al-12％Si合金，研制出一种成分均匀、制备方法简单的高强高阻尼复合材料。解决使用多孔TiNi合金时，在受力状态下多孔TiNi合金的力学性能较低，以及高阻尼性能仅仅限于马氏体状态等问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强高阻尼复合材料，多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12％Si合金，形成TiNi/AlSi复合材料；复合材料中，Al-12％Si合金的体积占37％—45％。
所述的高强高阻尼复合材料，多孔TiNi合金的孔隙度介于60％—66％，开孔率达到95％以上，孔隙尺寸在320～510μm。
所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，在原有自蔓延制备具有开孔结构的近等原子比的多孔TiNi合金基础上，采用挤压铸造工艺，向多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12％ Si合金，制备成TiNi/AlSi复合材料。
所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，自蔓延制备多孔TiNi合金的工艺过程如下：
1)将Ti粉和Ni粉按原子比1:1放入混料器中进行30h—50h的旋转混料，使其充分均匀混合；
2)将混合好的混合粉放入真空容器中，真空度为0.1—0.5Pa，进行干燥处理；
3)将干燥后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa，形成坯料；
4)将管式炉升温至400℃—550℃，并使其温度场保持均匀；将成形后的坯料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10±2ml/min；
5)当坯料温度达到340℃—440℃后，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔TiNi合金；
6)将合成后的多孔TiNi合金迅速放入水中，进行淬火处理。
所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，挤压铸造的工艺过程如下：
1)将用制备好的多孔TiNi合金放入模腔内，加热至550±10℃；
2)将Al-12％ Si合金放入电阻炉中加热至750±10℃熔化；
3)采用挤压铸造工艺，将熔化后的Al-12％ Si合金在700±10℃注入模腔，10秒内施加压力，比压为100±10MPa，挤压时间30—40秒，完全凝固后，开模取出铸件。
本发明以多孔TiNi合金为基体，通过向合金中的孔隙渗入另一种合金制备出兼有高强度高阻尼性能的复合材料。为了保证能够成功渗入合金，并使得两者接触良好，减少复合材料中的气孔、疏松等缺陷，多孔TiNi合金必须拥有足够高的孔隙度，特别是较大的开孔率以及较大的孔隙尺寸，另外还应保证渗入的合金应该具有良好的液态流动性。由于所制备的复合材料由两种不同的合金物理接触所成，该材料必将同时拥有两种合金的物理化学性能。因此，为了提高制备材料的强度以及在多孔TiNi合金相变点温度以上的阻尼性能，所渗入的合金应该具有良好的力学性能以及高温阻尼性能。
为了实现上述要求，我们采用了以下几个措施：
1、采用自蔓延方法制备具有较大开孔结构的原子比约为1:1的多孔TiNi合金，使得合金的孔隙度达到60％以上，开孔率达到95％以上，孔隙尺寸在320～510μm。
2、选用力学性能较好的Al-12％Si合金，此合金在液态具有良好的流动性，并且其阻尼性能随着温度的升高而增加，拥有较好的高温阻尼性能。
3、采用挤压铸造工艺制备复合材料，保证多孔TiNi合金与Al-12％Si合金接触良好，进一步减少铸件中的气孔、疏松等缺陷，获得成分均匀的铸锭组织。
本发明的优点在于：
1、本发明制备方法简单，直接采用挤压铸造工艺，生产成本低；
2、本发明多孔TiNi合金中的开孔填充良好，不存在明显的缺陷；
3、本发明显著提高了复合材料的压缩强度，压缩强度较多孔TiNi合金明显提高，并且使得复合材料具备类似TiNi合金相变的特征，特别是相变点温度以上的阻尼性能较高；
4、本发明引入新的内耗源，显著提高材料的阻尼性能，并且明显改善了材料在相变点温度以上的阻尼性能；
5、本发明扩大了多孔TiNi合金作为减振材料的使用范围，满足高强度高阻尼的结构功能一体化材料的使用要求。
附图说明：
图1为复合材料制备流程；
图2(a)—(b)为复合材料TiNi/AlSi的扫描电镜照片；(a)二次电子50×观察；(b)背散射1500×观察；
图3为复合材料与多孔TiNi合金的DSC对比曲线；
图4为复合材料TiNi/AlSi与多孔TiNi合金、Al-12％ Si合金的压缩强度比较示意图；
图5为复合材料TiNi/AlSi与多孔TiNi合金、Al-12％ Si合金的阻尼性能tanδ随温度的对比曲线；
具体实施方式：
采用高纯Ti粉(≥99.0wt％，尺寸：≤55μm)和高纯Ni粉(≥99.4wt％，尺寸：2.6～2.8μm)为原料，从源头控制杂质的含量，TiNi合金的成分范围为(at％)：Ti：50.0±0.5at％，Ni：50.0±0.5at％。采用自蔓延方法(SHS)制备具有大量开孔结构的多孔TiNi合金，预热温度340℃—440℃，使其孔隙度介于60％—66％，开孔率达到95％以上，孔隙尺寸在320～510μm。利用电阻炉高温熔化Al-12％ Si合金，采用挤压铸造工艺将熔化后的Al-12％ Si渗入多孔TiNi合金中，制造毛坯，减少铸件中的疏松、气孔等铸造缺陷，获得成分均匀的铸造组织，见图2(a)。由于整个填充过程TiNi与Al-12％ Si二者不互溶，各自独立存在，形成独特的TiNi-AlSi界面，见图2(b)，因此二者保持各自的物理化学特性不变。由图3可以看出，采用本发明制备的TiNi/AlSi复合材料具有与多孔TiNi合金近似相同的相变特性。图3中，Ap和Ap′分别代表TiNi/AlSi复合材料和多孔TiNi合金DSC测试中奥氏体相变峰峰温，Mp和Mp′分别代表TiNi/AlSi复合材料和多孔TiNi合金DSC测试中马氏体相变峰峰温。
复合材料制备的具体工艺如图1，操作工艺如下：
1、将Ti粉和Ni粉按原子比约为1:1放入混料器中进行30h—50h的旋转混料，使其充分均匀混合；
2、将混合好的混合粉放入真空容器中，真空度为0.1—0.5Pa，进行干燥处理；
3、将干燥后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa，形成坯料；
4、将管式炉升温至400℃—550℃，并使其温度场保持均匀。将成形后的坯料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10±2ml/min；
5、当坯料温度达到340℃—440℃后，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔TiNi合金；
6、将合成后的多孔TiNi合金迅速放入水中，进行淬火处理。
7、将用SHS制备好的多孔TiNi合金放入模腔内，加热至550±10℃；
8、将Al-12％ Si合金放入电阻炉中加热至750±10℃熔化；
9、采用挤压铸造工艺，将熔化后的Al-12％ Si合金在700±10℃注入模腔，10s内施加压力，比压为100±10MPa，挤压时间30—40s，完全凝固后，开模取出铸件；所制备的TiNi/AlSi复合材料中，Al-12％ Si合金的体积占37％—45％。
经过上述过程，多孔TiNi合金中的开孔均被Al-12％ Si合金填充完好，因此在压缩实验过程中增加了有效承载面积，避免了在多孔TiNi合金的孔壁上产生应力集中以及微裂纹的可能，从而复合材料的压缩强度得到了显著的提高，采用本发明制备的TiNi/AlSi复合材料压缩强度达到358MPa—368MPa，见图4。复合材料的阻尼性能取决于构成复合材料的多孔TiNi合金以及Al-12％ Si合金。图5为三种材料的阻尼性能随温度的变化曲线，由图5可以看出在低于425K的条件下，TiNi/AlSi复合材料在三者中拥有最好的阻尼性能，并且相变峰高温侧的阻尼性能略高于低温侧。由于多孔合金中的开孔被填充，因此TiNi合金阻尼主要来源于马氏体界面的运动，而Al-12％ Si合金的阻尼主要来源于合金内Si单质周围位错的运动，因此复合材料表现为二者本征阻尼性能的叠加。在相变点温度以下，复合材料的主要以马氏体界面运动来消耗能量，当温度上升到相变点以上时，TiNi合金内的马氏体发生相变转换成奥氏体，Al-12％ Si合金中的位错运动成为阻尼的主要来源，使得复合材料在相变点的两侧基本拥有相同的阻尼性能。另外，复合材料中的TiNi-AlSi界面是一种物理接触界面，二者结合力较弱，因此在外界交变应力的作用下，易在界面处形成微滑移，从而消耗能量，进一步增加了复合材料的阻尼性能。本发明中，材料的阻尼性能tanδ值是采用DMA在1Hz，0.01％应变条件下测得。采用本发明制备的TiNi/AlSi复合材料阻尼性能tanδ值在室温至180℃区间内介于0.020—0.023。
采用本专利技术制备的TiNi/AlSi复合材料，不仅使其保留了TiNi合金的相变特性，而且提高了多孔TiNi合金的压缩强度，显著增加了材料的阻尼性能，特别是相变点温度以上的阻尼性能。本发明扩大了多孔TiNi合金作为减振材料的使用范围，满足高强度高阻尼的结构功能一体化材料的使用要求。
Claims (5)
1、一种高强高阻尼复合材料，其特征在于：多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12％Si合金，形成TiNi/AlSi复合材料；复合材料中，Al-12％Si合金的体积占37％—45％。
2、按照权利要求1所述的高强高阻尼复合材料，其特征在于：多孔TiNi合金的孔隙度介于60％—66％，开孔率达到95％以上，孔隙尺寸在320～510μm。
3、按照权利要求1所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于：在原有自蔓延制备具有开孔结构的近等原子比的多孔TiNi合金基础上，采用挤压铸造工艺，向多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12％Si合金，制备成TiNi/AlSi复合材料。
4、按照权利要求3所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于，自蔓延制备多孔TiNi合金的工艺过程如下：
1)将Ti粉和Ni粉按原子比1：1放入混料器中进行30h—50h的旋转混料，使其充分均匀混合；
2)将混合好的混合粉放入真空容器中，真空度为0.1—0.5Pa，进行干燥处理；
3)将干燥后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa，形成坯料；
4)将管式炉升温至400℃—550℃，并使其温度场保持均匀；将成形后的坯料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10±2ml/min；
5)当坯料温度达到340℃—440℃后，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔TiNi合金；
6)将合成后的多孔TiNi合金迅速放入水中，进行淬火处理。
5、按照权利要求3所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于，挤压铸造的工艺过程如下：
1)将用制备好的多孔TiNi合金放入模腔内，加热至550±10℃；
2)将Al-12％Si合金放入电阻炉中加热至750±10℃熔化；
3)采用挤压铸造工艺，将熔化后的Al-12％Si合金在700±10℃注入模腔，10秒内施加压力，比压为100±10MPa，挤压时间30—40秒，完全凝固后，开模取出铸件。
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