CN106583456A - 一种基于Mn‑Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Mn‑Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法，所述复合材料为将Mn‑Cu合金颗粒与轻质金属基板，或Mn‑Cu合金板材与轻质金属基板通过累积叠轧焊方法进行层间焊合制备获得。本发明通过大量实验工作，首次将累积叠轧焊方法应用于Mn‑Cu增强型轻质金属基复合材料的制备中，大大提升了轻质金属基阻尼材料在室温附近的阻尼性能和力学性能，能够很好地满足近室温减震降噪应用领域中对结构材料的要求，特别适用于航天航空等要求低密度高性能的高技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种轻质金属基高阻尼复合材料及其制备方法，尤其是一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
火箭、卫星失效分析结果表明，约三分之二的故障与振动和噪音有关。航空航天器和舰船上的各种仪器仪表也常因此发生故障；飞机在长期使用过程中，由于振动的影响，常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹，空速管断裂，以及座舱噪音等问题。因此，研发具有高阻尼特性的结构材料具有重要意义。现代航空航天工业的发展要求金属结构材料同时具有较好的力学和阻尼性能，以提高飞机和航天器的运行可靠性和寿命。
迄今已出现了许多阻尼合金，根据阻尼机制的不同，它们可分为四类即复相型、强磁性型、孪晶型和位错型。这些阻尼合金的阻尼性能通常超过10-2，它们因此也被称为高阻尼合金。然而，除位错型的镁合金外，其他阻尼合金的密度通常超过5×103kg/m3，导致其比强度、比刚度较小。因此，上述传统阻尼合金难以广泛用于航空航天领域。
我们知道轻质金属及其合金(如铝合金)在航空航天中应用十分广泛，但其阻尼性能却较差，通常仅约10-3数量级，其抗振能力较差。而位错型的镁合金具有比铝合金更小的密度，但其强度较低(通常小于300MPa)，且抗腐蚀性能较差。因此，为提高铝及其合金基体的阻尼性能，或者提高镁及其合金的机械性能，我们以铝或镁等轻质金属或其合金为基体设计并制备同时兼具高阻尼和高强度的轻质金属基复合材料，具有重要的实用价值。
Mn-Cu合金是一种典型的界面弛豫型高阻尼合金，在应力作用下，伴随界面移动可产生非弹性应变和应力松弛，从而形成高阻尼。由于其高的阻尼性能和优良的综合机械性能(例如：M2052阻尼合金，最大内耗值达到0.06)，在航海航空核工业机械制造等领域已获得广泛应用，是较理想的减震降噪结构材料。但前文已述，其合金密度一般较大，与航空航天应用领域所追求的“轻质型材料”相背离。
迄今为止，制备颗粒分散型复合材料的方法主要有粉末冶金方法，铸造成型法等，但研究发现，上述方法制备的复合材料存在诸如金属基体与颗粒界面结合较差、颗粒分散不均匀、断裂韧性较低等问题。而制备金属多层膜结构的方法主要有溅射法，喷射沉积，电镀等，但是这些方法又存在所用设备复杂，价格昂贵，材料制备周期长等缺点，使得在工程结构材料制备方面受到了限制。虽然制备金属复合板材的方法很多，如轧制复合法，爆炸焊接法和铸造法等，但是只有累积叠轧焊(Accumulative roll-bonding，简称ARB)工艺被认为是大塑性变形技术中唯一有希望工业化生产大块金属多层复合板材的方法，在ARB工艺中，材料可以反复多周期轧制，通过控制轧制时的下压量实现不同材料的层间焊合，可连续制备多层复合金属材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了提供一种兼具高阻尼、高强度、低密度的基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法，以提供一种基于轻质金属(如铝或镁及其合金)的Mn-Cu合金颗粒分散型或异质金属叠层制造的层状型(Mn-Cu/轻质金属多层膜结构)高阻尼复合材料及其制备方法，一方面可有效克服传统的Mn-Cu合金密度大的问题，另一方面通过Mn-Cn合金提高铝基材料或镁基材料的阻尼性能和力学性能，以实现并拓展Mn-Cu合金可能作为“轻质型高阻尼结构材料”在航天航空领域的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料，所述复合材料为将Mn-Cu合金颗粒与轻质金属基板，或Mn-Cu合金板材与轻质金属基板通过累积叠轧焊方法进行层间焊合制备获得。
优选地，所述轻质金属为铝及其合金，镁及其合金中的一种。
优选地，所述Mn-Cu合金颗粒的尺寸为1um-1000um；所述Mn-Cu合金板材的单层厚度为10nm-100um；所述轻质金属基板的单层厚度为1um-10cm。
优选地，所述复合材料中，Mn-Cu合金的质量百分比为60％以下。
本发明还提供了一种上述基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对轻质金属基板进行表面处理，去除表面金属氧化物，获得待加工的金属基板；
步骤二：将Mn-Cu合金颗粒分散于去离子水或有机溶剂中，再均匀沉淀在步骤一的金属基板表面，上面再覆盖步骤一的金属基板，获得Mn-Cu合金与步骤一的金属基板交替层叠排列的复合基板；或者，将Mn-Cu合金板材进行表面处理，去除表面金属氧化物，再将其与步骤一的金属板材交替叠放，获得复合基板；
步骤三：将步骤二的复合基板进行叠轧焊，获得颗粒分散型复合板材或具有层状结构的复合板材，即为所述增强型轻质金属基复合材料。
优选地，为得到颗粒分布均匀或具有微纳米多层膜结构的复合板材，所述步骤三后，还包括步骤四：对步骤三的复合板材进行退火后从中间部位一分为二，进行表面打磨处理后将两部分叠放，进行再次叠轧焊，并可根据需要多次重复步骤四，最终得到Mn-Cu颗粒均匀分散的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料或者具有微/纳多层膜结构的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料。
优选地，所述步骤一的轻质金属基板为铝基板，或其合金基板，或其泡沫基板，或镁基板，或其合金基板，或其泡沫基板。
优选地，所述步骤二的有机溶剂为低沸点醇类试剂或丙酮，所述低沸点醇类试剂指的是沸点为200℃及以下的醇类试剂。
优选地，所述步骤三的复合基板中，叠放层数为2-20层。
优选地，所述叠轧焊的方法为冷轧或热轧，其中，热轧的温度为200-600℃，须在惰性气体保护下进行；冷轧或热轧的下压量为20％-80％，累积叠轧焊的循环次数为2-20次，每两次叠轧之间均进行200-600℃间歇性退火处理。
本发明通过大量实验工作，首次将累积叠轧焊方法应用于Mn-Cu增强型轻质金属基复合材料的制备中，大大提升了轻质金属基阻尼材料在室温附近的阻尼性能和力学性能，能够很好地满足近室温减震降噪应用领域中对结构材料的要求，特别适用于航天航空等要求低密度高性能的高技术领域，相比现有技术，具体优点如下：
1.本发明公开的Mn-Cu合金增强型轻质金属基高阻尼复合材料克服了传统高阻尼Mn-Cu合金密度大的问题，同时可有效提高纯铝及其合金或镁及其合金基体的阻尼性能和机械性能；
2.本发明公开的制备方法所制备的Mn-Cu颗粒增强型轻质金属基高阻尼复合材料，阻尼温度主要集中在室温附近，且温度范围分布较宽，未来极有可能在更广的应用领域，特别是航空航天等领域发挥其优良的减震降噪作用。
3.本发明公开的制备方法可有效克服常规粉末冶金法或模压铸造法制备Mn-Cu/轻质金属基复合材料时存在的低致密或陶瓷分散不均匀等问题；且本发明公开的制备方法可有效克服常规溅射法制备Mn-Cu/轻质金属基多层膜材料时存在的设备复杂，价格昂贵，材料制备周期长等问题。高效制备出高致密、Mn-Cu合金组分分散均匀的轻质金属基复合材料，同时增强复合材料的阻尼性能和力学性能。
4.本发明公开的制备方法，其制备过程简单易操作，省时节能，无需昂贵模具成本，适于大规模的工业化生产。
附图说明
图1为多层金属基板与Mn-Cu合金颗粒累积叠轧制备颗粒分散型复合材料的示意图；
图2为多层金属基板和Mn-Cu合金板材累积叠轧制备多层结构材料的示意图；
图3为累积叠轧八次的多层金属基板和Mn-Cu颗粒复合材料的金相照片；
图4为颗粒分散型复合材料的拉伸性能部分测试结果；
图5为颗粒分散型复合材料的阻尼性能部分测试结果。
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
本实施例提供了一种基于Mn-Cu合金的增强型Al基轻质高阻尼复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：对Al基板进行表面处理，去除表面金属氧化物，获得待加工的金属基板；
步骤二：将Mn-Cu合金颗粒分散于去离子水中，再均匀沉淀在步骤一的金属基板表面，上面再覆盖步骤一的金属基板，获得Mn-Cu合金与步骤一的金属基板交替层叠排列的复合基板；其中，Mn-Cu合金颗粒的尺寸为1um-1000um，单层金属基板的厚度为1um-10cm，且Mn-Cu合金的总质量占整个复合基板总质量的50％；
步骤三：将步骤二的复合基板采用热轧的方式进行累积叠轧焊，获得颗粒分散型复合板材或具有层状结构的复合板材，其中，热轧的温度为420℃，在惰性气体的保护下进行，热轧的下压量为80％，获得复合基板；
步骤四：对步骤三的复合板材进行退火后从中间部位一分为二，进行表面打磨处理后将两部分叠放，再次进行叠轧焊，重复退火、分段叠放和叠轧焊7次，加上步骤三的一次叠轧焊，共8次，最终得到Mn-Cu颗粒均匀分散的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料。
测定步骤四的复合材料的密度为4.1g/cm3，符合航天航空领域“轻质型材料”的要求。
测定上述步骤四的复合材料的断面的金相结构，结果如图3所示，图中可看出，经过8次累积叠轧焊后，Mn-Cu合金颗粒(白色)呈均匀分布。
测定步骤三的复合基板和步骤四的复合材料的拉伸性能，同时以纯Al基板为对照，获得如图4所示的结果，图中可看出，经过多次叠轧焊后，复合材料的拉伸强度相比于纯铝试样，从52MPa增强至180MPa，即使经过420℃退火后，拉伸强度也有100MPa，远大于纯铝试样。而复合材料的延伸率虽然相对于纯铝试样的53％下降至10％，但该延伸率也远大于传统的粉末冶金法制备复合材料的延伸率。且经过420℃退火后，延伸率增长至30％，完全满足实际应用所需。
测定步骤四的复合材料的阻尼性能，结果如图5所示。图中可以看出，复合材料的阻尼性能为0.009，虽小于纯Mn-Cu合金的阻尼值，但该值相当于纯铝试样阻尼性能的4.5倍。
实施例2
本实施例提供了一种基于Mn-Cu合金的增强型Al基轻质高阻尼复合材料的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：对Al基板进行表面处理，去除表面金属氧化物，获得待加工的金属基板；
步骤二：将Mn-Cu合金板材进行表面处理，去除表面金属氧化物，再将其与步骤一的金属板材交替叠放，共叠放20层，获得复合基板；其中，单层Mn-Cu合金板材的厚度为10nm-100um，单层金属基板的厚度为1um-10cm，且Mn-Cu合金的总质量占整个复合基板总质量的30％；
步骤三：将步骤二的复合基板采用热轧的方式进行叠轧焊，获得颗粒分散型复合板材或具有层状结构的复合板材，其中，热轧的温度为420℃，在惰性气体的保护下进行，热轧的下压量为20％，获得复合基板；
步骤四：对步骤三的复合板材进行退火后从中间部位一分为二，进行表面打磨处理后将两部分叠放，再次进行叠轧焊，然后重复退火、分段叠放和叠轧焊7次，加上步骤三的一次叠轧焊，共8次，最终得到具有微/纳多层膜结构的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料。
测定步骤四的复合材料的密度为3.49g/cm3，符合航天航空领域“轻质型材料”的要求。
实施例3
本实施例提供了一种基于Mn-Cu合金的增强型Mg基轻质高阻尼复合材料的制备方法，其中，所述轻质基板为镁合金泡沫基板，叠放层数为2层，采用热轧方式进行叠轧焊，热轧温度为600℃，累积叠轧焊次数为20次，且每两次叠轧之间均进行200℃间歇性退火处理，其它步骤同实施例1。
实施例4
本实施例提供了另一种基于Mn-Cu合金的增强型Mg基轻质高阻尼复合材料的制备方法，其中，所述轻质基板为镁基板材，将Mn-Cu合金颗粒分散于丙酮中(也可以分散于沸点为200℃及以下的低沸点醇类试剂，比如乙醇中)，再沉淀，叠放层数为10层，采用冷轧方式进行叠轧焊，累积叠轧焊次数为10次，其它步骤同实施例1。
Claims (10)
1.一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料为将Mn-Cu合金颗粒与轻质金属基板，或Mn-Cu合金板材与轻质金属基板通过累积叠轧焊方法进行层间焊合制备获得。
2.根据权利要求1所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料，其特征在于，所述轻质金属为铝及其合金，镁及其合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料，其特征在于，所述Mn-Cu合金颗粒的尺寸为1um-1000um；所述Mn-Cu合金板材的单层厚度为10nm-100um；所述轻质金属基板的单层厚度为1um-10cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料中，Mn-Cu合金的质量百分比为60％以下。
5.一种如权利要求1-4所述的基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对轻质金属基板进行表面处理，去除表面金属氧化物，获得待加工的金属基板；
步骤二：将Mn-Cu合金颗粒分散于去离子水或有机溶剂中，再均匀沉淀在步骤一的金属基板表面，上面再覆盖步骤一的金属基板，获得Mn-Cu合金与步骤一的金属基板交替层叠排列的复合基板；或者，将Mn-Cu合金板材进行表面处理，去除表面金属氧化物，再将其与步骤一的金属板材交替叠放，获得复合基板；
步骤三：将步骤二的复合基板进行叠轧焊，获得颗粒分散型复合板材或具有层状结构的复合板材，即为所述增强型轻质金属基复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三后，还包括步骤四：对步骤三的复合板材进行退火后从中间部位一分为二，进行表面打磨处理后将两部分叠放，进行再次叠轧焊，并可根据需要多次重复步骤四，最终得到Mn-Cu颗粒均匀分散的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料或者具有微/纳多层膜结构的高阻尼高强度的增强型轻质金属基复合材料。
7.根据权利要求5所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一的轻质金属基板为铝基板，或其合金基板，或其泡沫基板，镁基板，或其合金基板，或其泡沫基板。
8.根据权利要求5所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二的有机溶剂为沸点为200℃及以下的低沸点醇类试剂或丙酮。
9.根据权利要求5所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三的复合基板中，叠放层数为2-20层。
10.根据权利要求5所述的一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述叠轧焊的方法为冷轧或热轧，其中，热轧的温度为200-600℃，须在惰性气体保护下进行；冷轧或热轧的下压量为20％-80％，累积叠轧焊的循环次数为2-20次，每两次叠轧之间均进行200-600℃间歇性退火处理。
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