CN104863284B - 一种土木建筑用Cu‑Al‑Mn形状记忆合金减震吸能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种土木建筑用Cu‑Al‑Mn形状记忆合金减震吸能器及其制造方法，所述减震吸能器包括连接组件、减震吸能组件和辅助组件组成，其中减震吸能组件采用具有强各向异性的柱状晶组织Cu‑Al‑Mn形状记忆合金板材制造，辅助组件为钢板，将形状记忆合金板材柱状晶的凝固方向平行于水平方向与钢板交替叠放，制成减震吸能器，安装于建筑物的底座中，形状记忆合金板材采用定向凝固方法制备。本发明的减震吸能器的优点是具有功能各向异性，即水平方向可提供10%以上的高可恢复应变，允许建筑物在地震等情况下与基础之间产生较大的水平摇摆，以吸收水平方向的震动能量；而垂直方向上提供7%以上的较高可恢复应变，起到铅垂方向吸能减震作用的同时使减震吸能器具有更高的承重能力。

Description

一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器及其制造 方法

技术领域

本发明属于金属材料制备及应用领域，涉及一种形状记忆合金减震吸能器的设计与应用，具体是一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器及其制造方法。

背景技术

近年来，强地震和飓风等自然灾害频发，给人类的生命财产带来了严重的灾难，其中水平摇摆和震动（包括水平方向和垂直方向）带来的巨大能量引起建筑物发生大幅应变而造成的破坏、倒塌或坍塌等是主要的灾难来源。且建筑物的高度越高，水平摇摆和震动引起的应变越大。因此在现代土木建筑中，减轻建筑结构在外界载荷下的破坏性响应，提高建筑结构的抗灾性能是亟需解决的重要问题之一。目前，在建筑物的设计中，常通过减震、隔震装置把对震动作用的“硬抗”变为“疏导”来隔离和消耗地震能量，或者通过施加能量来抵消外载荷作用，避免传统结构加固方式仅靠自身塑性变形吸收能量的缺点，使得建筑物结构在强震动中只发生刚体摇晃而基本不发生变形，从而保证建筑物自身的安全。常用的减震、隔震装置均存在一定缺点，如橡胶隔垫易发生老化，粘滞阻尼器较难维护，摩擦阻尼器不能自复位，软钢阻尼器有塑性残余变形，且面临耐久性和耐腐蚀性差的问题。形状记忆合金由于能够通过发生特殊的热弹性马氏体相变吸收大量能量而具有良好的阻尼特性，与其他材料相比，耐疲劳和耐腐蚀性能好，已成为一种重要的吸能、减震材料。

当形状记忆合金作为吸能、减震材料应用时，更高的强度和更大的超弹性均可提高合金对外部能量的吸收能力，具有更优的吸能、减震功能。但形状记忆合金的高强度和高超弹性往往难以同时获得，例如，单晶Cu-Al-Mn合金具有10%以上的高超弹性，但其强度低，一般在200MPa以下。而普通多晶组织Cu-Al-Mn合金强度在200MPa~400MPa之间，但其超弹性低，一般不超过4%。目前，制备同时具有高强度和高超弹性的Cu-Al-Mn形状记忆合金仍面临极大的挑战。

自然因素可能对高层建筑物产生破坏作用主要有两种：一是在地震、强风等载荷作用下产生的水平摇摆，特别是对于一些细而高的建筑物，例如塔式建筑、烟囱、大型广告牌等，水平摇摆可产生大幅度的水平位移。二是地震载荷作用下产生的铅垂方向的位移。因此，采用形状记忆合金制成的减震吸能部件必须在水平和竖直方向同时具有较高超弹性（水平方向的超弹性要求更高）。另外，由于减震吸能器一般安装于上部建筑物和基础之间，所以还要求减震吸能器在铅垂方向上具有较高的强度以承担上部建筑物的重量。因此，综合考虑减震吸能器的使用要求，开发具有功能异向性特点的减震吸能器具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有功能各向异性的土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器及其制造方法，解决现有减震器持久性差、耗散能力有限、自复位性能差、强度低、支撑能力有限的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器，所述减震吸能器包括：连接组件、减震吸能组件和辅助组件，所述连接组件设置于上下两端，所述减震吸能组件和辅助组件水平交替叠放于所述连接组件之间，所述减震吸能组件包括多块强各向异性柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板。

进一步的，所述Cu-Al-Mn合金板的凝固方向与水平方向平行。

进一步的，所述连接组件包括：上连接板与下连接板，所述上连接板上端与上层建筑连接，所述下连接板下端与基础层连接。

进一步的，所述辅助组件包括多块钢板，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板水平放置，沿竖直方向交替叠放于所述上连接板与所述下连接板之间。

进一步的，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板叠合端面切齐。

一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器制造方法，所述方法具体步骤如下：

步骤1：以纯度99.9%以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金熔炼温度为1300 ℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；

步骤2：将预制合金在1100 ℃重新熔化，保温20 min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温温度为1100 ℃的石墨结晶器中，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，凝固过程中的温度梯度大于7℃/mm；

步骤3：待合金熔体全部凝固后，随炉冷却到800℃左右时将铸锭取出水淬；

步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬；

步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；

步骤6：将合金板与钢板水平放置并沿竖直方向交替叠合放置，将叠合放置的合金板与钢板安装到两连接板之间，构成土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器。

进一步的，所述步骤一中各原料成分为：Al：16at.%~20at.%，Mn：9at.%~12at.%，其余为Cu。

本发明设计的减震吸能器除具有普通Cu基形状记忆合金减震吸能器价格便宜，能量吸收能力强，耐疲劳、耐腐蚀，阻尼性能好，自复位能力优等特点外，还具有以下优点：

1)减震吸能器具有功能各向异性，即在水平方向可提供10%以上的高可恢复应变，允许建筑物在地震等情况下与基础之间产生较大的水平摇摆，以吸收水平方向的震动能量；在铅垂方向上提供7%以上的较高可恢复应变，起到铅垂方向吸能减震作用的同时，由于具有更高的强度，使器件具有更高的承重能力。

2)柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高超弹性，平行于凝固方向的超弹性超过10%，达到单晶水平，是普通多晶组织合金超弹性（～3%）的3倍以上。垂直凝固方向的超弹性也超过7%，是普通多晶组织合金超弹性（～3%）的2倍以上。相比普通多晶组织形状记忆合金制造的减震吸能器，本发明的减震吸能器具有更优的减震吸能性能。

3)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金制成的土木建筑用减震吸能器可恢复应变高，残余应变低，耐高温，持久性高，构造简单，安装拆卸方便。

4)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金集功能性和结构性于一体，同时实现减震吸能和支撑作用，能简化设计，节约成本。

附图说明

图1为本发明土木建筑用减震吸能器结构示意图；

图2为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金金相形貌图：其中（a）平行凝固方向截面图；（b）为垂直凝固方向截面图；

图3为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金平行和垂直凝固方向的超弹性拉伸应力-应变曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，说明书中所提到的“上”、“下”皆指以图一为参照的位置，仅用于说明本发明，并不限制本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

如图1-3所示，一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器，所述减震吸能器包括：连接组件、减震吸能组件和辅助组件，所述连接组件设置于上下两端，所述减震吸能组件和辅助组件水平交替叠放于所述连接组件之间，所述减震吸能组件包括多块强各向异性柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板，所述Cu-Al-Mn合金板的凝固方向与水平方向平行，所述辅助组件包括多块钢板，所述连接组件包括：上连接板与下连接板，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板水平放置，沿竖直方向交替叠放于所述上连接板与所述下连接板之间，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板叠合端面切齐，所述上连接板上端与上层建筑连接，所述下连接板下端与基础层连接，所述减震吸能器利用Cu-Al-Mn合金（金相照片如图2所示）沿凝固方向具有高超弹性（10%~18%）的特点，允许建筑物在地震等情况下与基础之间产生较大幅度的水平摇摆（最大允许应变不超过10%~18%）。同时，柱状晶组织Cu-Al-Mn合金垂直凝固方向具有较高超弹性（7%~9%）和更高的强度（300~400MPa），使减震吸能器起到铅垂方向吸能减震作用的同时（最大允许应变不超过7%~9%），具有更高的承重能力，可承压300~400MPa，超弹性应力-应变曲线如图3所示。

一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器制造方法，所述方法通过组织控制，制备出具有性能各向异性的特殊组织形状记忆合金，即在不同方向上分别获得高强度和高超弹性，采用定向凝固方法制备的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，沿凝固方向具有<001>高相变应变（反映超弹性的大小）取向，无横向晶界，可获得与单晶相当的高超弹性（10%~18%）；垂直凝固方向的取向分布于<001>-<011>取向之间（对应较高的相变应变），存在横向晶界，在变形时晶界强化作用明显，因此，在该方向上具有较高的超弹性（7%~9%）和更高的强度和刚度（垂直凝固方向的强度和弹性模量是平行方向的1.3和1.5倍左右），其具体实施步骤如下：

步骤1：以纯度99.9%以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金成分为Al：16at.% ~ 20at.%，Mn：9at.% ~ 12at.%，其余为Cu，合金熔炼温度为1300 ℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；

步骤2：采用定向凝固方法制备具有强各向异性柱状晶组织合金板材，具体工艺为：将预制合金在1100 ℃重新熔化，保温20 min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温（保温温度1100 ℃）的石墨结晶器中（浇注后关停保温加热装置），合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，结晶器形状和尺寸根据所制备板材的形状和尺寸设计，为了获得沿凝固方向具有强<001>取向，晶界平直高的柱状晶组织，以保证板材具有强各向异性，要求定向凝固过程中的温度梯度必须大于7℃/mm；

步骤3：待合金熔体全部凝固后（合金熔点为950℃），随炉冷却到800℃左右时将铸锭取出水淬，以避免生成α相和其他脆性相，保证获得完全的奥氏体组织；

步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬，以稳定合金的马氏体相变温度；

步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；

步骤6：将合金板与钢板水平放置并沿竖直方向交替叠合放置，将叠合放置的合金板与钢板安装到两连接板之间，构成土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器。

通过步骤1~6可以制备出沿凝固方向具有强<001>取向，柱状晶晶粒长径比在10以上的，晶界平直的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板材（金相照片如图2（a）（b）所示。合金板材沿凝固方向的超弹性达到10%~18%，屈服强度为200~300MPa，弹性模量为19~24GPa；而沿垂直凝固方向的超弹性为7%~9%；屈服强度和弹性模量分别达到300~400MPa和28~36GPa。超弹性、屈服强度和弹性模量各向异性分别达到1.43~2.0、1.33~1.5、1.47~1.5，具有强各向异性。

Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶体虽然具有强各向异性，能够满足各向异性减震装置的设计要求，但大尺寸单晶体Cu-Al-Mn形状记忆合金制备困难，成本高昂，无法实际应用。而目前广泛使用的普通多晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金超弹性低（<4%），且性能为各向同性，不利于各向异性装置的设计。采用定向凝固方法可以制备大尺寸的具有强各向异性特征的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，因此，本发明综合了柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的性能特点和土木建筑用减震吸能器的功能需求，利用柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的性能各向异性，通过定向凝固方法制备柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金使其具有各向异性特点，开发了可满足土木建筑减震要求的具有功能各向异性的减震吸能器。

【实施例1】

采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚4mm的Cu₇₂Al₁₈Mn₁₀（at.%）合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表1所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到18%，屈服强度为228.5MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到9%，屈服强度为312.1MPa，切割成长150mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成器件。器件的水平方向最大承载应变为18%，竖直方向的最大承载应变为9%，最大承载压强为312MPa。

表1柱状晶组织Cu₇₂Al₁₈Mn₁₀合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数

【实施例2】

采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚5mm的Cu₇₂Al₁₇Mn₁₁（at.%）合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表2所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到16%，屈服强度为268.9MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到8.5%，屈服强度为349.3MPa，切割成长130mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成器件。器件的水平方向最大承载应变为16%；竖直方向的最大承载应变为8.5%，最大承载压强为349MPa。

表2柱状晶组织Cu₇₂Al₁₇Mn₁₁合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数

【实施例3】

采用本发明所述制备工艺制备宽40mm厚4mm的Cu₇₁Al₂₀Mn₉（at.%）合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表3所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到10%，屈服强度为298.9MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到7.5%，屈服强度为382.1MPa，切割成长140mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成器件。器件的水平方向最大承载应变为10%，竖直方向的最大承载应变为7.5%，最大承载压强为382MPa。

表3柱状晶组织Cu₇₁Al₂₀Mn₉合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数

【实施例4】

采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚3mm的Cu₇₂Al₁₆Mn₁₂（at.%）合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表4所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到14%，屈服强度为271.4MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到7.8%，屈服强度为361.4MPa，切割成长150mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成器件。器件的水平方向最大承载应变为14%，竖直方向的最大承载应变为7.8%，最大承载压强为361MPa。

表4柱状晶组织Cu₇₂Al₁₆Mn₁₂合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数

本发明设计的减震吸能器除具有普通Cu基形状记忆合金减震吸能器价格便宜，能量吸收能力强，耐疲劳、耐腐蚀，阻尼性能好，自复位能力优等特点外，还具有以下优点：

1)减震吸能器具有功能各向异性，即在水平方向可提供10%以上的高可恢复应变，允许建筑物在地震等情况下与基础之间产生较大的水平摇摆，以吸收水平方向的震动能量；在铅垂方向上提供7%以上的较高可恢复应变，起到铅垂方向吸能减震作用的同时，由于具有更高的强度，使器件具有更高的承重能力。

2)柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高超弹性，平行于凝固方向的超弹性超过10%，达到单晶水平，是普通多晶组织合金超弹性（～3%）的3倍以上。垂直凝固方向的超弹性也超过7%，是普通多晶组织合金超弹性（～3%）的2倍以上。相比普通多晶组织形状记忆合金制造的减震吸能器，本发明的减震吸能器具有更优的减震吸能性能。

3)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金制成的土木建筑用减震吸能器可恢复应变高，残余应变低，耐高温，持久性高，构造简单，安装拆卸方便。

4)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金集功能性和结构性于一体，同时实现减震吸能和支撑作用，能简化设计，节约成本。

Claims (6)

1.一种土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器制造方法，所述减震吸能器包括：连接组件、减震吸能组件和辅助组件，所述连接组件设置于上下两端，所述减震吸能组件和辅助组件水平交替叠放于所述连接组件之间，所述减震吸能组件包括多块强各向异性柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板,其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤1：以纯度99.9％以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金熔炼温度为1300℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；

步骤2：将预制合金在1100℃重新熔化，保温20min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温温度为1100℃的石墨结晶器中，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，凝固过程中的温度梯度大于7℃/mm；

步骤3：待合金熔体全部凝固后，随炉冷却到800℃时将铸锭取出水淬；

步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬；

步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；

步骤6：将合金板与钢板水平放置并沿竖直方向交替叠合放置，将叠合放置的合金板与钢板安装到两连接板之间，构成土木建筑用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震吸能器。

2.根据权利要求1所述的减震吸能器制造方法，其特征在于，所述步骤1中各原料成分为：Al：16at.％～20at.％，Mn：9at.％～12at.％，其余为Cu。

3.根据权利要求2所述的减震吸能器制造方法，其特征在于，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板的凝固方向与水平方向平行。

4.根据权利要求2所述的减震吸能器制造方法，其特征在于，所述连接组件包括：上连接板与下连接板，所述上连接板上端与上层建筑连接，所述下连接板下端与基础层连接。

5.根据权利要求4所述的减震吸能器制造方法，其特征在于，所述辅助组件包括多块钢板，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板水平放置，沿竖直方向交替叠放于所述上连接板与所述下连接板之间。

6.根据权利要求5所述的减震吸能器制造方法，其特征在于，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板与所述钢板叠合端面切齐。