CN108342732B - 一种FeMn合金-ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法 - Google Patents

一种FeMn合金-ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层，包括基体、FeMn合金层以及ZnAl合金层；制备方法，包括以下步骤：（1）分别制备FeMn合金、ZnAl合金电极棒；（2）对基体进行表面预处理；（3）将预处理好的基体和FeMn合金电极棒分别固定在电火花沉积设备上，在基体上沉积FeMn合金层；（4）更换成ZnAl合金电极棒，在FeMn合金层上沉积ZnAl合金层。

Description

一种FeMn合金-ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合涂层及其制备方法，尤其是一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层及其制备方法。
背景技术
机械设备产生的振动会严重影响构件的精度、稳定性及引起结构疲劳。阻尼材料按特性分为橡胶和塑料阻尼板、橡胶和泡沫塑料、高阻尼合金；其中作为高温、高速振动的部件，前两者由于阻尼材料承受不住高温，综合机械性能耐受不住，容易导致安全隐患，特别是在汽车、火车、涡轮、军用以及航空航天等领域中，对阻尼材料的减振、抗振、降低噪音以及综合机械性能有更高要求。应用广泛的是锌铝系合金、镁合金、铁铬系合金等，阻尼性能在一定的温度和频率范围内基本稳定。
为了改善提高温度范围、阻尼性能以及综合机械性能，通常的方法有在合金中添加Ti、Co、Ni、Cr、Cu、Nb等元素，但是很多情况下虽然改善综合机械性能，但是阻尼性能却改善不明显，甚至还是牺牲了阻尼性能达到提高综合机械性能。有的情况能明显提高阻尼性能，但是却难以保证抗冲击、硬度、伸展性等机械性能。虽然现有技术有报道元素添加对阻尼性能的效果，然而在特定的条件下是成立的，因为其考量的单变量对性能的影响；在其他条件比如制备方法、基础合金材料变化时，这样的结论却不适用，正因如此，如何对阻尼材料进行改进的报道并不多。大量的孪晶在外力的作用下的驰豫运动所带来的能量耗散。
如何在现有的阻尼合金成分的基础上通过添加的元素来进一步提升合金的阻尼性能，是目前阻尼合金设计领域的亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明目的是提供一种高阻尼性能以及综合机械性能的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层，包括基体、FeMn合金层以及ZnAl合金层。
本发明另一目的是提供一种高阻尼性能以及综合机械性能的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法。
本发明的铁锰阻尼合金层由质量分数为18～25％Mn、2～4％B、4～10％Mo、0.1～0.5％Si、1.3～1.5％TiO2、0.1～1％Y2O3和余量Fe组成。
本发明的锌铝阻尼合金层由质量分数为16～25％Al、2～4％Cu、4～10％Sn、0.2～0.5％Si、1～1.3％TiO2、0.1～1％Y2O3、3～5％多壁碳纳米管和余量Zn组成。
优选的，铁锰阻尼合金层由质量分数为20～23％Mn、2.5～3.5％B、5～8％Mo、0.2～0.4％Si、1.3～1.5％TiO2、0.5～1％Y2O3和余量Fe组成。
优选的，锌铝阻尼合金层由质量分数为18～22％Al、2.5～3.5％铜、5～7％锡、0.25～0.45％Si、1.1～1.2％TiO2、0.3～0.7％Y2O3、3.5～4.5％多壁碳纳米管和余量Zn组成。
所述基体为金属或合金，更优选的为铝、镁、钛、铝合金、镁合金、钛合金等。
本发明的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备FeMn合金电极棒、ZnAl合金电极棒；
(2)对基体进行表面预处理；
(3)将预处理好的基体和FeMn合金电极棒分别固定在电火花沉积设备上，在基体上沉积FeMn合金层；
(4)更换成ZnAl合金电极棒，在FeMn合金层上沉积ZnAl合金层。
更具体的，本发明的制备方法为：
(a)分别按照质量分数称取18～25％Mn、2～4％B、4～10％Mo、0.1～0.5％Si、1.3～1.5％TiO2、0.1～1％Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取16～25％Al、2～4％Cu、4～10％Sn、0.2～0.5％Si、1～1.3％TiO2、0.1～1％Y2O3、3～5％多壁碳纳米管和余量Zn组成的混合粉末。
(b)分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形(φ0.5～1.5cm×h2.0～3.0cm)。
(c)采用800～2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干或烘干。
(d)将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接。调节电流、电压以及时间，在基体上沉积厚度为20～50μm的FeMn合金层。
(e)将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流、电压以及时间，在FeMn合金层上沉积厚度为30～80μm的ZnAl合金层。即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
优选的，在步骤(d)中，调节电流为0.5～5A、电压50～100A为以及时间为1～10min。
更优选的，调节电流为1～4A、电压60～90A为以及时间为5～10min。
优选的，在步骤(e)中，调节电流为1～10A、电压40～120A为以及时间为1～10min。
更优选的，调节电流为2～8A、电压60～100A为以及时间为5～10min。
在本发明复合涂层中，硅的添加能降低了复合涂层的噪声，提高涂层的耐磨性性能，但是硅含量较高时，合金材料脆性加大，不能很好地发挥合金的阻尼效果。Sn的加入能有效的提高合金材料的减振性能。Y2O3可以显著的细化枝晶组织，促使各相分布均匀，有效提高合金的抗拉强度和阻尼性能；同时，稀土氧化物通常用于提高热障涂层的抗氧化性，在本发明中，其还可以减少阻尼复合涂层的孔隙率，使得复合涂层更致密。TiO2可以扩散到涂层表面，能够发挥优良的耐腐蚀性能。多壁碳纳米管的加入大大提高了合金材料的导热性能，可以较大程度提高阻尼材料的应用温度的宽度。在电火花沉积的过程中，合金中的多壁碳纳米管一部分与硅形成碳化硅增强相，能够提高复合涂层的硬度以及抗冲击性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过形成双层结构，优化了添加元素以及含量，获得了具有优异阻尼和综合机械性能的涂层，扩大了材料的应用范围；合金经Y2O3细化过后，合金晶粒中会存在富Y晶核，这些富Y晶核的尺寸要小于10μm，在长大的同时，有效的使各相分散均匀，最终影响合金晶粒的尺寸。
2、Y2O3以及TiO2加入后，涂层腐蚀电流密度呈减小趋势，Tafel斜率明显增大，合金的耐蚀性提高。
3、通过形成陶瓷增强相，涂层的抗冲击性能以及硬度也明显得到提高，可以满足在高频率振动环境中的应用。
4、比阻尼SDC、阻尼损耗因子tanδ、以及温度范围得到较明显改善，是一种具有应用前景的复合涂层。
5、该涂层制备方法简单，生产成本比较低，便于工业化大规模生产和实际应用。
附图说明
图1为FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层结构示意图。
图2为实施例5-6制备FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的应力-应变曲线。
具体实施方式
面结合附图对本发明制备复合涂层以及制备方法作具体的描述。
实施例1
一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层1，基体2、FeMn阻尼合金层3以及ZnAl阻尼合金层4，铁锰阻尼合金层3由质量分数为20％Mn、2％B、4％Mo、0.1％Si、1.3％TiO2、0.1％Y2O3和余量Fe组成。锌铝阻尼合金层4由质量分数为16％Al、2％Cu、4％Sn、0.2％Si、1％TiO2、0.1％Y2O3、3％的多壁碳纳米管和余量Zn组成。
实施例2
一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层1，基体2、FeMn阻尼合金层3以及ZnAl阻尼合金层4，铁锰阻尼合金层3由质量分数为25％Mn、4％B、10％Mo、0.5％Si、1.5％TiO2、1％Y2O3和余量Fe组成。锌铝阻尼合金层4由质量分数为25％Al、4％Cu、10％Sn、0.5％Si、1.3％TiO2、1％Y2O3、5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成。
实施例3：
一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层1，基体2、FeMn阻尼合金层3以及ZnAl阻尼合金层4，铁锰阻尼合金层3由质量分数为20％Mn、2.5％B、5％Mo、0.2％Si、1.3％TiO2、0.5％Y2O3和余量Fe组成。锌铝阻尼合金层4由质量分数为18％Al、2.5％Cu、5％Sn、0.3％Si、1.1％TiO2、0.3％Y2O3、3.5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成。
实施例4
一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层1，基体2、FeMn阻尼合金层3以及ZnAl阻尼合金层4，铁锰阻尼合金层3由质量分数为23％Mn、3.5％B、8％Mo、0.4％Si、1.5％TiO2、1％Y2O3和余量Fe组成。锌铝阻尼合金层4由质量分数为22％Al、3.5％Cu、7％Sn、0.45％Si、1.2％TiO2、0.7％Y2O3、4.5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成。
实施例5
本发明如实施例1所述复合涂层的制备方法为：
(a)分别按照质量分数称取20％Mn、2％B、4％Mo、0.1％Si、1.3％TiO2、0.1％Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取16％Al、2％Cu、4％Sn、0.2％Si、1％TiO2、0.1％Y2O3、3％的多壁碳纳米管和余量Zn组成的混合粉末。
(b)分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气(99.99％)氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形(φ1.0cm×h3.0cm)。分别得到FeMn合金电极棒和ZnAl合金电极棒。
(c)采用800、1200、2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干。
(d)将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接。调节电流为1.0A、电压为50V以及时间为5min，在基体上沉积厚度为20μm的FeMn合金层。
(e)将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流为2.0A、电压为40V以及时间为5min，在FeMn合金层上沉积厚度为30μm的ZnAl合金层。即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
实施例6
本发明如实施例2所述复合涂层的制备方法为：
(a)分别按照质量分数称取25％Mn、4％B、10％Mo、0.5％Si、1.5％TiO2、1％Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取25％Al、4％Cu、10％Sn、0.5％Si、1.3％TiO2、1％Y2O3、5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成。
(b)分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气(99.99％)氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形(φ1.0cm×h3.0cm)。分别得到FeMn合金电极棒和ZnAl合金电极棒。
(c)采用800、1200、2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干。
(d)将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接。调节电流为2.0A、电压为60V以及时间为10min，在基体上沉积厚度为40μm的FeMn合金层。
(e)将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流为10A、电压为50V以及时间为5min，在FeMn合金层上沉积厚度为60μm的ZnAl合金层。即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
实施例7
本发明如实施例3所述复合涂层的制备方法为：
(a)分别按照质量分数称取20％Mn、2.5％B、5％Mo、0.2％Si、1.3％TiO2、0.5％Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取18％Al、2.5％Cu、5％Sn、0.3％Si、1.1％TiO2、0.3％Y2O3、3.5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成的混合粉末。
(b)分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气(99.99％)氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形(φ1.0cm×h3.0cm)。分别得到FeMn合金电极棒和ZnAl合金电极棒。
(c)采用800、1200、2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干。
(d)将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接。调节电流为3.0A、电压为100V以及时间为6min，在基体上沉积厚度为30μm的FeMn合金层。
(e)将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流为10A、电压为120V以及时间为5min，在FeMn合金层上沉积厚度为80μm的ZnAl合金层。即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
实施例8
本发明如实施例4所述复合涂层的制备方法为：
(a)分别按照质量分数称取23％Mn、3.5％B、8％Mo、0.4％Si、1.5％TiO2、1％Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取22％Al、3.5％Cu、7％Sn、0.45％Si、1.2％TiO2、0.7％Y2O3、4.5％的多壁碳纳米管和余量Zn组成的混合粉末。
(b)分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气(99.99％)氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形(φ1.0cm×h3.0cm)。分别得到FeMn合金电极棒和ZnAl合金电极棒。
(c)采用800、1200、2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干。
(d)将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接。调节电流为4.0A、电压为100V以及时间为10min，在基体上沉积厚度为50μm的FeMn合金层。
(e)将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流为8A、电压为50V以及时间为3min，在FeMn合金层上沉积厚度为30μm的ZnAl合金层。即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
为了测量本发明技术方案制备的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的力学以及阻尼性能，下面对试验进行说明。
拉伸性能：试验材料为如实施例5-8所制备的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层，在DWD-200电子式万能实验机进行测试；(1)测量试验材料的有效长度和宽度；(2)将试验材料安置在DWD-200电子式万能实验机上，保证轴向受力；(3)开启实验机拉伸试验材料，控制拉伸速度为1.0mm/min；(4)由计算机采集数据，记录拉伸载荷和拉伸位移。
冲击试验：试验材料为如实施例4-8所制备的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层，试验在JBCD-300型高低温冲击试验机进行。
按照国标测试实验材料的耐磨损性能以及硬度。
阻尼性能：采用自由衰减法测试如实施例4-8所制备的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的阻尼性能。
表1
Figure BDA0001615275720000081
表2
实施例5 SDC 损耗因子tanδ 温度范围(℃)
实施例6 18 0.067 15～440
实施例7 22 0.060 20～450
实施例8 23 0.070 18～400
实施例5 19 0.064 17～445
经过测试，本发明所制备的FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层高阻尼的温度范围在15-450℃，可以满足较高温度环境下的应用。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层，包括基体、FeMn合金层以及ZnAl合金层，其特征在于，铁锰阻尼合金层由质量分数为18～25％ Mn、2～4% B、4～10% Mo、0.1～0.5% Si、1.3～1.5% TiO2、0.1～1％ Y2O3和余量Fe组成；锌铝阻尼合金层由质量分数为16～25％ Al、2～4% Cu、4～10% Sn、0.2～0.5% Si、1.0～1.3% TiO2、0.1～1％ Y2O3、3.0～5.0%多壁碳纳米管和余量Zn组成。
2.根据权利要求1所述的双层阻尼复合涂层，其特征在于，铁锰阻尼合金层由质量分数为20～23％ Mn、2.5～3.5% B、5～8% Mo、0.2～0.4% Si、1.3～1.5% TiO2、0.5～1％ Y2O3和余量Fe组成。
3.根据权利要求1或2所述的双层阻尼复合涂层，其特征在于，锌铝阻尼合金层由质量分数为18～22％ Al、2.5～3.5% 铜、5～7% 锡、0.25～0.45% Si、1.1～1.2% TiO2、0.3～0.7％Y2O3、3.5～4.5%多壁碳纳米管和余量Zn组成。
4.一种权利要求1～3任一项所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）分别制备FeMn合金电极棒、ZnAl合金电极棒；（2）对基体进行表面预处理；（3）将预处理好的基体和FeMn合金电极棒分别固定在电火花沉积设备上，在基体上沉积FeMn合金层；（4）更换成ZnAl合金电极棒，在FeMn合金层上沉积ZnAl合金层。
5.根据权利要求4所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)分别按照质量分数称取18～25％ Mn、2～4% B、4～10% Mo、0.1～0.5% Si、1.3～1.5% TiO2、0.1～1％ Y2O3和余量Fe组成的混合粉末；按照质量分数称取16～25％ Al、2～4% Cu、4～10% Sn、0.2～0.5% Si、1.0～1.3% TiO2、0.1～1％ Y2O3、3.0～5.0%多壁碳纳米管和余量Zn组成的混合粉末；
（b）分别将所称取的混合粉末放入非自耗真空电弧熔炼炉内，在高纯氩气氛围下，利用高温电弧将混合粉末熔炼成合金铸锭；将合金铸锭切割成电极棒，具体为圆柱形；
（c）采用800～2000#金相砂纸对基体打磨，依次放入丙酮、去离子水中超声波清洗，在室温下晾干或烘干；
（d）将预处理好的基体固定在电火花沉积设备的工作台上，FeMn合金电极棒固定在电极夹具上，其中基体与脉冲电源的阴极连接，合金电极棒与脉冲电源的阳极连接；调节电流、电压以及时间，在基体上沉积厚度为20～50μm的FeMn合金层；
（e）将FeMn合金电极棒取下，更换成ZnAl合金电极棒，调节电流、电压以及时间，在FeMn合金层上沉积厚度为30～80μm的ZnAl合金层，即得到FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层。
6.根据权利要求5所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，在步骤（d）中，调节电流为0.5～5A、电压50～100A为以及时间为1～10min。
7.根据权利要求6所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，在步骤（d）中，调节电流为1～4A、电压60～90A为以及时间为5～10min。
8.根据权利要求5所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，在步骤（e）中，调节电流为1～10A、电压40～120A为以及时间为1～10min。
9.根据权利要求8所述FeMn合金/ZnAl合金双层阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，在步骤（e）中，调节电流为2～8A、电压60～100A为以及时间为5～10min。
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