CN104513923B - 含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料 - Google Patents

含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料，用于金属材料类领域。该镁基复合材料包含的各成分及其重量百分比为：8.06-8.55%Al，0.39-0.48%Zn，0.17-0.19%Mn，5-10%BaTiO3，余量为Mg及不可避免的杂质。本发明以AZ91为基本成分，添加BaTiO3，经充分球磨混合和热压烧结，BaTiO3和生成的β-Mg17Al12相分布在α-Mg基体上。当应变振幅为10-4时，纯镁的阻尼值达到0.11，当频率为1Hz时，复合材料的阻尼值随振幅增大不断增加，达到0.085，接近纯镁的阻尼性能。

Description

含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展，上至航空飞行器的设计和制造，下至民用汽车的使用，人们对振动与噪声的控制都提出了更高的要求，为了满足这个要求，需要研究和设计出具有更高阻尼性能的材料。纯镁是一种理想的高阻尼、低密度材料。与其他金属材料相比，镁的密度最低，仅为1.78g/cm3，阻尼性能最好，当应变振幅为10-4时，阻尼值达到0.11。为了充分利用镁的高阻尼、低密度的特性，人们尝试在镁基体中添加一种或多种增强体来获得高阻尼、低密度的理想功能-结构材料。
镁基复合材料的典型组织为增强相分布在基体合金中，与基体合金相比，增强相的加入与基体形成了大量的界面，同时伴有高密度位错缠结，这是复合材料最明显的组织特征。界面及近界面区对复合材料的各项性能有重要影响，由于增强相与基体合金间热膨胀系数不匹配，在复合材料制备冷却过程中，将会在界面处产生热错配残余应力，引起基体发生塑性流变，产生高密度位错，是高阻尼性能（位错钉扎与脱扎）的基础，这些高密度位错缠结是镁基复合材料的另一个组织特点。BaTiO3是一种压电陶瓷材料，它的某些电介质晶体可以通过纯粹的机械作用而发生极化，导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷，能够将机械能和电能互相转换，引起的材料表面电荷产生压电效应。BaTiO3/AZ91镁基复合材料存在着多种能量转化机制：复合材料中位错的往复运动将消耗部分机械能；复合材料中的界面滑移可以损耗部分机械能；压电陶瓷将部分机械能转化为电能，电能再通过导电网络转化为热能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有镁合金阻尼较低以及增强相在基体中分布不均匀的问题，提供一种具有良好的阻尼性能的镁基复合材料。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种含钛酸钡（BaTiO3）的高阻尼镁基复合材料，所述的高阻尼镁基复合材料的各组分及重量百分比为：8.06-8.55%Al，0.39-0.48%Zn，0.17-0.19%Mn，5-10%BaTiO3，余量为Mg。
所述的高阻尼镁基复合材料的各组分及重量百分比为：8.55%Al，0.48%Zn，0.19%Mn，5%BaTiO3，不可避免的杂质含量≤0.1%，余量为Mg。
一种含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料的制备方法，按照配方比例称取Al粉、Zn粉、Mn粉和BaTiO3粉，混合均匀得到混合粉末，将混合粉末放在真空干燥箱中干燥处理，然后在氩气的保护下，利用高能球磨机将混合粉末进行充分球磨和混合，然后在20MPa压强下，将球磨后的混合粉末在550℃下热压烧结30min后随炉冷却，即得到含BaTiO3的高阻尼镁基复合材料。
所述的球磨工艺为：转速为300r/min，球磨时间为6h，球料比为5:1。
所述的热压烧结过程中采用氩气保护。
本发明的有益效果：（1）本发明以AZ91为基本成分，添加BaTiO3压电陶瓷，一方面充分利用压电陶瓷的压电效应，提高AZ91镁合金的阻尼性能；另一方面采用粉末冶金的方法使BaTiO3在基体上均匀分布。（2）BaTiO3是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，它的某些电介质晶体可以通过纯粹的机械作用而发生极化，导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷，引起的材料表面电荷产生压电效应。（3）压电陶瓷/金属阻尼复合材料存在着多种能量转化机制：复合材料中位错的往复运动将消耗部分机械能；复合材料中的界面滑移可以损耗部分机械能；压电陶瓷将部分机械能转化为电能，电能再通过导电网络转化为热能。（4）粉末冶金法对基体合金种类和增强体类型没有限制，Zn、Mn主要以固溶原子的形式存在于基体和析出相中，并没有新相产生；同时，Mn在加热时还可以阻碍晶粒长大，晶粒不需要经过全熔的液体状态且增强体颗粒在基体内分布均匀，可以制得高体积分数增强相的金属基复合材料。
说明书附图
图1为实施例1制得的含BaTiO3的高阻尼镁基复合材料的Mg-Al二元相图。
图2为实施例1制得的含BaTiO3的高阻尼镁基复合材料的振幅-阻尼曲线图。
具体实施方式
实施例1
本发明合金成分（重量百分比）为：8.55%Al，0.48%Zn，0.19%Mn，5%BaTiO3，余量为Mg及不可避免的杂质。按照上述成分配制40g混合粉末，Al、Zn、Mn的引入都是采用添加AZ91镁合金粉末来实现。Al、Zn、Mn在AZ91中的重量百分比分别为8.95%、0.44%、0.21%。该镁基复合材料采用粉末冶金法制备，将平均粒度为105μm的AZ91粉末放在真空干燥箱中处理，然后在氩气的保护下，利用高能球磨机将混合粉末进行充分球磨和混合。球磨工艺为：转速为300r/min，球磨时间为6h，球料比为5:1。然后在20MPa压强下，将球磨后的粉末在550℃下热压烧结30min后随炉冷却，烧结过程中采用氩气保护。该复合材料在室温下，频率为1Hz时，材料的阻尼值随振幅增大不断增加，最大达到0.085（如图2所示），与AZ91D合金相比，接近纯镁的阻尼性能。
图1为本实施例含BaTiO3的高阻尼镁基复合材料的Mg-Al二元相图。从图1可以看出，Al在Mg中的最大固溶度是12.7％（在共晶温度437℃时），降至室温时Al的固溶度大约只有2％；因此在平衡条件下，烧结样品的室温显微组织应该由α-Mg固溶体基体和β-Mg17Al12析出相组成。Zn、Mn主要以固溶原子的形式存在于基体和析出相中，并没有新相产生；同时，Mn在加热时还可以阻碍晶粒长大。
实施例2
本发明合金成分（重量百分比）为：8.06%Al，0.39%Zn，0.17%Mn，10%BaTiO3，余量为Mg及不可避免的杂质。按照上述成分配制40g混合粉末，Al、Zn、Mn的引入都是采用添加AZ91镁合金粉末来实现。Al、Zn、Mn在AZ91中的重量百分比分别为8.95%、0.44%、0.21%，其制造工艺与实施例1相同。该复合材料在室温下，频率为1Hz时，材料的阻尼值随振幅增大不断增加，最大达到0.072。
实施例3
本发明合金成分（重量百分比）为：8.32%Al，0.43%Zn，0.18%Mn，8%BaTiO3，余量为Mg。按照上述成分配制40g混合粉末，Al、Zn、Mn的引入都是采用添加AZ91镁合金粉末来实现。Al、Zn、Mn在AZ91中的重量百分比分别为8.95%、0.44%、0.21%，其制造工艺与实施例1相同。该复合材料在室温下，频率为1Hz时，材料的阻尼值随振幅增大不断增加，最大达到0.078。
实施例4
本发明合金成分（重量百分比）为：8.45%Al，0.45%Zn，0.18%Mn，6%BaTiO3，余量为Mg。按照上述成分配制40g混合粉末，Al、Zn、Mn的引入都是采用添加AZ91镁合金粉末来实现。Al、Zn、Mn在AZ91中的重量百分比分别为8.95%、0.44%、0.21%，其制造工艺与实施例1相同。该复合材料在室温下，频率为1Hz时，材料的阻尼值随振幅增大不断增加，最大达到0.082。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料，其特征在于：所述的高阻尼镁基复合材料的各组分及重量百分比为：8.06-8.55%Al，0.39-0.48%Zn，0.17-0.19%Mn，5-10%BaTiO3，余量为Mg；所述的含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料的制备方法，步骤如下：按照配方比例称取Al粉、Zn粉、Mn粉和BaTiO3粉，混合均匀得到混合粉末，将混合粉末放在真空干燥箱中干燥后，在氩气的保护下，利用高能球磨机将混合粉末进行充分球磨和混合，然后在20MPa压强下，将球磨后的混合粉末在550℃下热压烧结30min后随炉冷却，即得到含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料。
2.根据权利要求1所述的含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料，其特征在于：所述的高阻尼镁基复合材料的各组分及重量百分比为：8.55%Al，0.48%Zn，0.19%Mn，5%BaTiO3，余量为Mg。
3.根据权利要求1所述的含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料，其特征在于所述的球磨工艺为：转速为300r/min，球磨时间为6h，球料比为5:1。
4.根据权利要求1所述的含钛酸钡的高阻尼镁基复合材料，其特征在于：所述的热压烧结过程中采用氩气保护。
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