CN104498750B - 一种高阻尼高强度铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻尼高强度铝基复合材料及其制备方法，包括以下组份：体积比为5～30∶95～70的钛镍铜合金颗粒和铝基粉体；所述钛镍铜合金颗粒中，按重量计包括以下组份：钛30～55％；镍25～45％；铜5～25％。所述钛镍铜合金颗粒采用真空热等静压法加入到铝基中。本发明通过对钛镍铜颗粒成分范围、颗粒尺寸及其在复合材料中的组分设计与控制，使钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能达到最优的效果，同时力学性能也能得到一定的提升。本发明制得的复合材料，其阻尼参数在室温附近达到0.05～0.1之间，比传统铝合金的阻尼值提高一个数量级以上。

Description

一种高阻尼高强度铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料，尤其涉及的是一种高阻尼高强度铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，机械设备趋于高速、高效和自动化，随之引起的振动、噪声和疲劳断裂问题亦越来越突出。振动和噪声，限制机械设备性能的提高，严重破坏机械设备运行的稳定性和可靠性。通过材料的微观结构设计，使振动能量通过其它能量形式散去，是关键的阻尼技术之一。研发同时具有减振降噪及优良力学性能的结构功能一体化材料，是解决这一问题的主要途径。
传统的结构材料铝合金广泛应用与各个工业领域，比如汽车、高铁、航天航空等。科研人员开发了一些具有高阻尼功能的铝合金，比如铝锌合金，通过加入稀土元素和合适的热处理工艺，不仅可以提高耐磨和耐蚀性，也获得很好的阻尼性能，其阻尼参数(内耗值)达到6×10-3级别，显著高于普通的铝合金。但是，这款高阻尼铝合金的力学性能不高，阻尼性能方面与现代工业的实际需求仍然有较大的差距。
目前，研究人员发现的具有最高阻尼能力的合金是形状记忆合金，该合金发生马氏体相变之后，具有易迁动的孪晶结构，在振动过程中，孪晶结构对于振动能的转移耗散非常有效。通过合适的成分调控和热处理工艺，镍钛铜合金的阻尼参数(内耗值)达到0.08～0.2的级别。但是镍钛基形状记忆合金本身成本较高，加工性能很差，大多数形状记忆合金的马氏体相变温度偏低，难以在室温以上获得易迁动孪晶，不符合广泛使用的结构材料的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高阻尼高强度铝基复合材料及其制备方法，增强铝基复合材料阻尼性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下组份：
体积比为5～30∶95～70的钛镍铜合金颗粒和铝基粉体；所述钛镍铜合金颗粒中，按重量计包括以下组份：钛30～55％；镍25～45％；铜5～25％。
所述钛镍铜合金颗粒和铝基粉体的体积比为20∶80。钛镍铜颗粒组分选择对于颗粒增强铝基复合材料的各项性能以及成本控制也十分重要。经过大量试验发现：当钛镍铜颗粒在复合材料中的体积分数达到5％以上时，复合材料展现出较为优异的阻尼性能，而当体积分数超过20％后，阻尼性能趋于稳定，当体积分数超过30％后而力学性能有降低的趋势。
所述钛镍铜合金颗粒的粒径为0.2～40μm。在一定的范围内，大尺寸的镍钛铜颗粒对铝合金基体的强化效果不显著，制备成铝基复合材料之后，力学性能会有所降低。另一方面，镍钛铜颗粒的尺寸越小，特别是当颗粒直径低于100纳米后，相变温度会有显著降低，难以确保室温下的马氏体孪晶组织，同时带入更多的氧化物等缺陷。
钛镍铜合金颗粒的制备通过传统的雾化法可以制备不同直径的合金颗粒，然后按照需求在相应的范围筛选获得所需的钛镍铜合金颗粒。
作为本发明的优选方式之一，所述铝基粉体的粒径大于钛镍铜合金颗粒的粒径。
一种高阻尼高强度铝基复合材料的制备方法，所述钛镍铜合金颗粒采用真空热等静压法加入到铝基中。
所述真空热等静压法包括以下步骤：
(1)在真空下，将铝基粉体和钛镍铜合金颗粒混合搅拌均匀；
(2)将混匀的粉末放入模具，然后将模具放入真空热压烧结炉；
(3)控制真空度小于3×10-3Pa，温度在380℃～550℃之间，压力10～30MPa，在高温区域等温时间30～200分钟；
(4)热处理结束后，出模取样即可。
在操作过程中，尽量避免氧化。将铝基粉体和钛镍铜合金颗粒配料后，加入搅拌机中，抽真空至1Pa以下，充入氩气，至少反复3次，开始搅拌直至均匀。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，加入99.999％的高纯氩气作为保护气体。
钛镍铜合金颗粒是阻尼源，保证其在常规使用温度下具有高阻尼能力的前提是微观结构的调控。本发明通过成分设计，确保马氏体相变温度高于50℃，从而在室温至极低温度范围保持易迁动的孪晶组织。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过对钛镍铜颗粒成分范围、颗粒尺寸及其在复合材料中的组分设计与控制，使钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能达到最优的效果，同时力学性能也能得到一定的提升。本发明制得的复合材料，其阻尼参数在室温附近达到0.05～0.1之间，比传统铝合金的阻尼值提高一个数量级以上。
附图说明
图1是测试本发明制得复合材料的阻尼性能随温度变化的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
选择钛镍铜合金颗粒的成分为：钛：50.3％；镍：30.2％；铜：19.5％；
选用的钛镍铜合金颗粒的粒径为：0.4μm左右；
选择钛镍铜合金在复合材料中的体积比重为：20％；
选择商用纯铝粉作为基体材料，颗粒直径为30μm左右；
本实施例制备钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料的具体工艺包括：
(1)真空混料，将铝合金粉体和钛镍铜合金颗粒按目标体积比配料，加入搅拌机中，抽真空至1Pa以下，充入氩气，反复3次，开始搅拌直至均匀；
(2)混合工艺结束后，将均匀混合后的粉料放入圆柱状模具，将模具放入真空热压烧结炉，调试设备各种参数；
(3)设置各项参数，开始对烧结炉抽真空，直至真空度小于3×10-3Pa，烧结温度设置为450℃，压力设置为15MPa，实际压力为16.3MPa，升降温速率为4℃/分钟，在450℃等温60分钟；
(4)热处理结束后，去除压力载荷，开炉取样，获得性能良好的钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料板材。
实施例2
本实施例的钛镍铜合金颗粒的粒径为：1μm左右，其他实施方式和实施例1相同。
实施例3
选择钛镍铜合金颗粒的成分为：钛：50.6％；镍：26.3％；铜：23.1％；
选用的钛镍铜合金颗粒的粒径为：4μm左右；
选择钛镍铜合金在复合材料中的体积比重为：15％；
选择商用纯铝粉作为基体材料，颗粒直径为30μm左右；
本实施例制备钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料的具体工艺包括：
(1)真空混料，将铝合金粉体和钛镍铜合金颗粒按目标体积比配料，加入搅拌机中，抽真空至1Pa以下，充入氩气，反复3次，开始搅拌直至均匀；
(2)混合工艺结束后，将均匀混合后的粉料放入圆柱状模具，将模具放入真空热压烧结炉，调试设备各种参数；
(3)设置各项参数，开始对烧结炉抽真空，直至真空度小于3×10-3Pa，烧结温度设置为390℃，压力设置为28MPa，实际压力为26.9MPa，升降温速率为4℃/分钟，在390℃等温150分钟；
(4)热处理结束后，去除压力载荷，开炉取样，获得性能良好的钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料板材。
实施例4
本实施例的钛镍铜合金颗粒的粒径为：10μm左右，其他实施方式和实施例3相同。
实施例5
选择钛镍铜合金颗粒的成分为：钛：49.5％；镍：40.7％；铜：9.8％；
选用的钛镍铜合金颗粒的粒径为：20μm左右；
选择钛镍铜合金在复合材料中的体积比重为：10％；
选择商用纯铝粉作为基体材料，颗粒直径为30μm左右；
本实施例制备钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料的具体工艺包括：
(1)真空混料，将铝合金粉体和钛镍铜合金颗粒按目标体积比配料，加入搅拌机中，抽真空至1Pa以下，充入氩气，反复3次，开始搅拌直至均匀；
(2)混合工艺结束后，将均匀混合后的粉料放入圆柱状模具，将模具放入真空热压烧结炉，调试设备各种参数；
(3)设置各项参数，开始对烧结炉抽真空，直至真空度小于3×10-3Pa，烧结温度设置为480℃，压力设置为20MPa，实际压力为20.7MPa，升降温速率为4℃/分钟，在480℃等温50分钟；
(4)热处理结束后，去除压力载荷，开炉取样，获得性能良好的钛镍铜合金颗粒增强铝基复合材料板材。
如图1所示，将实施例1～5制得的复合材料的阻尼性能通过阻尼测试设备DMA进行评估，其阻尼参数(内耗值)在室温附近(300K)达到0.05～0.1之间，比传统铝合金的阻尼值提高一个数量级以上。

Claims (5)

1.一种高阻尼高强度铝基复合材料，其特征在于，包括以下组份：
体积比为5～30：95～70的钛镍铜合金颗粒和铝基粉体；所述钛镍铜合金颗粒中，按重量计包括以下组份：钛30～55％；镍25～45％；铜5～25％；所述钛镍铜合金颗粒的粒径为0.2～20μm，所述复合材料的阻尼参数在室温为0.05～0.1；
所述钛镍铜合金颗粒采用真空热等静压法加入到铝基中；所述真空热等静压法包括以下步骤：
(1)在真空下，将铝基粉体和钛镍铜合金颗粒混合搅拌均匀；
(2)将混匀的粉末放入模具，然后将模具放入真空热压烧结炉；
(3)控制真空度小于3×10-3Pa，温度在380℃～550℃之间，压力10～30MPa，在高温区域等温时间30～200分钟；
(4)热处理结束后，出模取样即可。
2.根据权利要求1所述的一种高阻尼高强度铝基复合材料，其特征在于，所述钛镍铜合金颗粒和铝基粉体的体积比为20:80。
3.根据权利要求1所述的一种高阻尼高强度铝基复合材料，其特征在于，所述铝基粉体的粒径大于钛镍铜合金颗粒的粒径。
4.根据权利要求1所述的一种高阻尼高强度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤(1)中，将铝基粉体和钛镍铜合金颗粒配料后，加入搅拌机中，抽真空至1Pa以下，充入氩气，至少反复3次，开始搅拌直至均匀。
5.根据权利要求1所述的一种高阻尼高强度铝基复合材料，其特征在于，所述步骤(3)中，加入99.999％的高纯氩气作为保护气体。
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