CN101407871A

CN101407871A - 一种高阻尼超弹性合金及其制备方法

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Publication number: CN101407871A
Application number: CNA2008102361460A
Authority: CN
Inventors: 芦笙; 刘和法; 谢春生; 戴安伦; 王海龙
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明公开了一种高阻尼超弹性合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。该合金的组分和含量(按质量百分比)是：Al为10.0－14.0％，Be为0.3－1.0％，B为0.01－0.30％，其余为Cu。该合金通过在Cu－Al－Be系形状记忆合金中加入微量元素B，并相应地调整Al、Be含量，采用电阻炉或感应炉进行熔炼，直接制备出具有高阻尼超弹性合金。本发明的高阻尼超弹性合金可作为高阻尼材料、形状记忆和超弹性材料及功能性复合材料等加以开发利用。

Description

一种高阻尼超弹性合金及其制备方法

技术领域：

本发明属于合金材料技术领域，涉及一种高阻尼超弹性合金，更具体地说，是涉及一种高阻尼超弹性形状记忆合金，还涉及该种高阻尼超弹性形状记忆合金的制备方法。

背景技术：

形状记忆合金作为一种新兴功能材料，已经应用于航空、航天、能源、汽车、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等领域。形状记忆合金不但具有形状记忆效应，还具有许多优异性能，包括：1)超弹性性能，即母相在应力下诱发形成马氏体，应力去除后马氏体消失，同时应变回复的现象；2)优异的阻尼特性以及3)良好的耐磨、耐腐蚀性能等。

目前形状记忆合金领域基本形成了Ni-Ti基、Cu基和Fe基三足鼎立的态势。Ni-Ti具有最优异而稳定的性能，相应地也占有最广大的市场，但制备工艺复杂，加工困难，成本昂贵；Fe基合金的加工制备最为简单，成本低廉，但记忆性能较差，由于相变热滞后较大，在利用单程记忆效应制作管道接头方面具有独特优势；Cu基合金相变滞后较小，形状记忆性能优良，可调节的动作温度范围大，导电、导热性能好，制备工艺简单，而价格只有Ni-Ti合金的十分之一，对Cu基合金的研究也始终是记忆合金领域的一大热点和焦点，其中最为重要的合金系包括Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Be和Cu-Al-Mn等。

目前，Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni已进入工业应用阶段，可用于驱动器和超弹性构件等。日本于上世纪80年代率先开展了Cu-Al-Be形状记忆合金的研究，比利时、法国和西班牙和我国也先后开展了对Cu-Al-Be形状记忆合金的研究和应用开发。

铃木和杉本等(日本公開特許公報(A)昭57-158347、.日本金属学会会報，1985，24(1))通过测定Cu-9.02Al-0.77Be，Cu-11.46Al-0.59Be合金内耗、弹性模量和电阻随温度的变化，确定发生了热弹性马氏体相变，合金具有显著的单程和双程形状记忆效应，同时发现合金的马氏体相变温度对成分，尤其是Be含量非常敏感，存在如下关系式：

Ms(℃)＝638-43×wt％Al-302×wt％Be。

随后的时效动力学研究(日本，公開特許公報(A)，昭60-75560)表明，对淬火试样进行时效可改变Cu-Al-Be合金的相变温度Ms，提高硬度；添加微量合金元素V、Cr、Ti、B、Zr、Re等微量元素也能改善Cu-Al-Be形状记忆合金的拉伸强度和延性(日本，公開特許公報(A)，昭60-75542)。

国内也有相关的研究，如：专利CN1056899A发明了一种Cu-Al-Be-X多元形状记忆合金，其中X为微量复合元素B、Ti、Cr、RE等，该合金主要用于制作各种在温度变化造成形状记忆效应的敏感元件；专利200420001343.1发明了一种用Cu-Al-Be-X多元形状记忆合金制作的记忆合金防烫伤阀，防烫伤卫浴温度为45℃±2℃。

综合目前为止的有关Cu-Al-Be形状记忆合金的研究成果和应用情况，不难发现，虽然形状记忆合金除了形状记忆效应外，还具有高阻尼、超弹性、耐腐蚀、耐磨损等优良的综合性能，但目前针对Cu-Al-Be合金的主要工作集中在单晶材料，并以相变温度、形状记忆效应等为主要研究和开发内容，缺乏对多晶合金及其它性能(如阻尼能力和超弹性等)的全面认识、了解和实际应用。我国有丰富的Be资源，储量居世界前列，但对Be的消费和研究却相对落后于发达国家。广泛深入地开展Cu-Al-Be多晶的研究，扩大其应用领域，为Cu-Al-Be合金在功能材料和结构材料领域描绘更广阔的前景，这对实际应用有积极的意义。

形状记忆合金具有优良的形状记忆效应，同时也具有很高的的阻尼特性、超弹性和耐腐蚀、耐磨等特性。Cu基合金具有良好的形状记忆性能，可调节的动作温度范围大，其制备工艺简单，价格低廉，作为Ti-Ni形状记忆合金的替代品被广为研究和开发应用。其中，Cu-Al-Be作为Cu基形状记忆合金之一，在上世纪80年代开始被研究和应用。但对Cu-Al-Be合金的研究和开发主要都集中形状记忆效应方面，至今未见对其阻尼能力和超弹性的开发和应用的报导。

发明内容：

技术问题：为了克服现有技术存在的不足和问题，本发明的目的是为进一步改进和开发Cu-Al-Be形状记忆合金，细化Cu-Al-Be合金晶粒，提高其力学性能，提供一种高阻尼超弹性Cu-Al-Be-B合金及其制备方法。

技术方案：为了实现上述目的，采用在Cu-Al-Be系形状记忆合金中按质量百分比加入0.01-0.30％的B元素，达到细化Cu-Al-Be合金晶粒，提高力学性能，获得高阻尼和超弹性等性能合金。本发明解决其技术问题的具体技术方案是：

一种高阻尼超弹性合金，按质量百分比由如下组分组成，Al为10.0-14.0％，Be为0.3-1.0％，B为0.01-0.30％，余量为Cu，总质量100％。

上述的Al纯度为99.7％；

上述的Be纯度为99.5％；

上述的B纯度为99.0％；

上述的Cu纯度为99.5％。

本发明解决其技术问题的另一个技术方案是：一种高阻尼超弹性合金的制备方法，按照以下步骤进行：

(1)按质量百分比分别称取组分：Al为10.0-14.0％，Be为0.3-1.0％，B为0.01-0.30％，余量为Cu，总质量为100％；

(2)将Cu和Al放入熔炼炉熔炼，熔炼时用10％的熔剂覆盖；

(3)待熔清后仔细扒渣，然后加入Be和B，并将熔炼温度调至1100-1280℃继续熔炼；

(4)通氩气进行精炼和除气，然后在大气下用预热的金属型浇注，从而得到本发明高阻尼超弹性合金。

上述的熔炼炉为感应电炉或电阻炉；

上述的熔剂为玻璃、冰晶石、苏打混合物，其质量比为1∶2∶1。

有益效果：本发明的有益效果是仅在Cu-Al-Be形状记忆合金中加入微量第四组元B，即获得兼具优良的形状记忆效应、高阻尼、优良的超弹性和综合力学性能。通过本发明的高阻尼超弹性合金的制备方法，可制备无气孔、缩孔和夹渣等缺陷的铸锭，铸锭无须特殊处理即具有优良的阻尼性能。该合金还可通过进一步的热处理或挤压加工，改变马氏体相变温度，扩大高阻尼的温度范围，并具有优良的超弹性性能。这样，就大大拓展了Cu-Al-Be形状记忆合金的应用领域。同时，由于本发明的高阻尼超弹性Cu-Al-Be-B合金仅为四元合金，与前述其它Cu-Al-Be-X专利合金相比，其成分和相变温度的控制变得更加容易。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。

实施例1

步骤(1)、按质量百分比分别称取组分：Al为10.0％；Be为1.0％；B为0.03％，余量为Cu，总质量100％；

步骤(2)、将Cu和Al放入熔炼炉熔炼，熔炼时用10％的熔剂覆盖；

步骤(3)待熔清后仔细扒渣，然后加入Be、B，将熔炼温度调至1100-1280℃继续熔炼；

步骤(4)通氩气进行精炼和除气，然后在大气下用预热的金属型浇注，从而得到本发明高阻尼超弹性合金。

对上述制备的试样进行检测，测得室温抗拉强度为496MPa、延伸率为1.5％；马氏体相变温度Ms＝-134℃、Mf＝-163℃、As＝-125℃、Af＝-96℃，室温阻尼能力DSC为3.8％。由于该合金的相变温度在深低温，故室温下为母相，阻尼能力不高，但在液氮中冷却后却显示出很高的低温阻尼能力，声音非常沉闷，且具有一定的超弹性。

实施例2

步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Al 14.0％；Be 0.41％；B0.01％，余量为Cu，总质量100％；

步骤(2)至步骤(4)与实施例1制备方法相同。

对上述制备的试样进行检测，测得室温抗拉强度为380MPa、延伸率为5.8％；马氏体相变温度Ms＝60℃、Mf＝30℃、As＝50、Af＝76℃，室温阻尼能力DSC为8.9％，且具有一定的超弹性性能。

实施例3

步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Al 11.6％；Be 0.46％；B0.30％，余量为Cu，总质量100％；

步骤(2)至步骤(4)与实施例1制备方法相同。

对上述制备的试样进行检测，测得室温抗拉强度为388MPa、延伸率为4.5％；马氏体相变温度Ms＝40℃、Mf＝20℃、As＝40℃、Af＝60℃，室温阻尼能力DSC为22.6％，超弹性应变ε_R为0.71，显示出高的阻尼能力和较高的超弹性性能。

实施例4

步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Al 11.46％；Be 0.30％；B0.067％，余量为Cu，总质量100％；

步骤(2)至步骤(4)与实施例1制备方法相同。

对上述制备的试样进行检测，测得室温抗拉强度为580MPa、延伸率为5.9％；马氏体相变温度Ms＝85℃、Mf＝55℃、As＝80、Af＝120℃，室温阻尼能力DSC为23.8％。该铸态合金经加热至800℃，保温后空冷处理后，其室温抗拉强度提高为660MPa、延伸率为4.7％；马氏体相变温度Ms＝95℃、Mf＝55℃、As＝80、Af＝115℃，室温阻尼能力DSC为20.2％，力学性能进一步提高，马氏体相变温度提高，马氏体逆相变温度和阻尼能力基本不变。

实施例5

步骤(1)按质量百分比分别称取组分：Al 11.42％；Be 0.35％；B0.18％，余量为Cu，总质量100％；

步骤(2)至步骤(4)与实施例1制备方法相同。

对上述制备的试样进行检测，测得室温抗拉强度为528MPa、延伸率为3.8％；马氏体相变温度Ms＝60℃、Mf＝10℃、As＝40、Af＝75℃，室温阻尼能力DSC为26％，在振幅A₀＝1×10^-5、频率为1.0Hz的条件下测得合金在25℃和50℃时的内耗值分别为0.00574、0.00982，表现了较高的阻尼特性。该铸态合金经加热至800℃，保温后空冷(状态一)处理后，其室温抗拉强度为582MPa、延伸率为4.9％；马氏体相变温度Ms＝60℃、Mf＝25℃、As＝52、Af＝78℃，室温阻尼能力DSC为27％，力学性能进一步提高，相变区间变窄，阻尼能力基本不变。

Claims

1、一种高阻尼超弹性合金，其特征在于：按质量百分比由组分Al为10.0-14.0％，Be为0.3-1.0％，B为0.01-0.30％，余量为Cu组成，总质量为100％。

2、根据权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金，其特征在于：所述的Al纯度为99.7％。

3、根据权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金，其特征在于：所述的Be纯度为99.5％。

4、根据权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金，其特征在于：所述的B纯度为99.0％。

5、根据权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金，其特征在于：所述的Cu纯度为99.5％。

6、制备权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

(1)按质量百分比分别称取组分：Al为10.0-14.0％，Be为0.3-1.0％，B为0.01-0.30％，余量为Cu，总质量100％；

(2)将Cu和Al放入熔炼炉熔炼，熔炼时用10％的熔剂覆盖；

7、根据权利要求6所述的制备权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金的方法，其特征在于：所述的熔炼炉为感应电炉或电阻炉。

8、根据权利要求6所述的制备权利要求1所述的一种高阻尼超弹性合金的方法，其特征在于：所述的熔剂为玻璃、冰晶石、苏打混合物，其质量比为1∶2∶1。