CN114107770A - 一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，涉及金属功能材料技术领域。本发明包括原料制备和合金制备，原料制备包括以下步骤：合金元素按重量百分配比为：Mn:75‑85wt.％、Ni：15‑20wt.％、Cu：0.5‑5wt.％和其他不可避免的杂质，然后将原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250‑1450℃保温30‑60min，使得原材料充分熔化后浇铸，从而得到母合金铸锭。本发明通过定向凝固过程的选分结晶以及Cu的改性作用，利用MnNi型锰基合金具有复杂相变特性的特点，使得制备的MnNi合金在‑70℃至180℃宽泛的温度范围内均能稳定的保证高阻尼性能，服役温度范围是现有MnCu系合金的约1.5倍。

Description

一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法

技术领域

本发明属于金属功能材料技术领域，特别是涉及一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法。

背景技术

机械设备运转过程中产生的振动与噪音不仅会导致机械部件材料的疲劳、电子器件失效、仪器仪表失灵等，还会对人类的健康产生负面的影响。采用附加隔音装置的方法是机器设计从源头抓起的典型案例，但这种设计必然增加机械的重量与成本。阻尼合金拥有将机械振动能转化为热能并耗散掉的物理特性，兼具有良好的力学性能，非常适用于制造机械部件。

锰基阻尼合金因其优良的阻尼性能和丰富的相变特征一直是中外学者研究的热点。在从高温向低温的冷却过程中，一般而言，锰基合金一旦发生顺磁→反铁磁的转变(二级相变)，就会伴随从面心立方的奥氏体到正方(fcc→fct，晶格常数c/a<1)的马氏体相变(一级相变)。目前，阻尼合金的研究与开发以MnCu型锰基高阻尼合金最为广泛，且已得到了商业化生产和应用。MnCu型锰基合金的马氏体相变和反铁磁转变强烈耦合，两种相变过程产生的相界面以及孪晶决定了合金的阻尼性能。例如专利CN201210491359.4公开了一种铸造高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，该合金加入较多的稀土和碱土元素，合金制备过程复杂、成本较高。专利CN201810335193.4利用磁场磁制动效应改善宏观偏析，细化凝固树枝晶状组织，所发明的铸造高阻尼锰铜阻尼材料组织致密，阻尼性能(Tanδ)可达0.049。专利CN202110313373.4公开了一种定向凝固制备超高阻尼Mn-Cu合金的方法，该合金常温阻尼性能为0.02-0.04，但在-70℃至-20℃附近具有孪晶型超高阻尼性能(Tanδ>0.1)。专利CN202110552536.4公开的高阻尼锰铜合金及其制备方法，合金经定向凝固制备后再予以时效热处理，可获得一种在-20℃到100℃的较宽的使用温度范围内都保持高阻尼性能的锰铜合金。由上可见，锰铜型锰基合金在低至-70℃、高可至100℃的使用温度范围内可具有优良的减震特性。

上述合金在一定程度上解决了MnCu型阻尼合金服役温度范围窄、阻尼能力不足等问题，但这类合金也存在明显的缺点。由于马氏体相变和反铁磁转变强烈耦合，在超过100℃之后的阻尼能力很弱，更为致命的是，在发生马氏体相变过程中，弹性模量发生软模现象，这将对合金服役的稳定性造成严重影响。随着现代工业装备的高速化以及大功率化，已有的阻尼合金不能满足某些极端恶劣环境(如沸点以上温度)的需求。因此，找到阻尼能力好、服役稳定性强、使用温度范围更宽的阻尼合金是十分必要的。

MnNi型锰基合金的MnCu型锰基合金相变特性类似，但更为复杂，其主要特点之一是马氏体相变和反铁磁转变分离。特点之二是MnNi型锰基合金的相变特性和化学成分密切相关。高含Ni的MnNi型合金为单一的奥氏体fcc相，在冷却过程中仅发生反铁磁相变；当Ni含量降低到20wt.％时，当首先发生磁性转变之后还发生fcc→fct马氏体相变；当Ni含量降低到17wt.％时，在冷却过程中除了发生上述相变之外，还将发生从正方马氏体到正交马氏体(fct→fco)的一级结构相变。除此之外，反铁磁马氏体的磁有序化将进一步提升合金的阻尼性能。上述相变无论是一级相变还是二级相变均具有可逆性，从高温到低温依次发生反铁磁相变、fcc→fct马氏体相变、fct→fco结构相变、磁有序化，这些复杂的相变过程为开发高端阻尼合金从理论上奠定了基础，具有巨大的研发空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，以解决了现有的问题：现有技术制备的合金服役温度范围较窄、阻尼性能稳定性较低的问题,利用MnNi型锰基合金具有复杂相变特性的特点，通过添加Cu的改性作用，充分发挥反铁磁相变、

马氏体相变、

结构相变、磁有序化以及孪晶等在不同温区对合金阻尼性能的贡献，从而提供一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金及其制造方法，使得发明的MnNi型合金在-70℃至180℃宽泛的温度范围内均能保证稳定的弹性模量以及高阻尼性能，可以适用低温到高温的冷热循环等复杂、极端环境条件下的振动噪声控制。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，包括原料制备和合金制备，所述原料制备包括以下步骤：

合金元素按重量百分配比为：Mn:75-85wt.％、Ni：15-20wt.％、Cu：0.5-5wt.％和其他不可避免的杂质，然后将原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250-1450℃保温30-60min，使得原材料充分熔化后浇铸，从而得到母合金铸锭。

本发明所述的定向凝固高阻尼锰镍合金的各化学元素的设计原理为：

Mn：构成高温fcc相晶体点阵的主要元素，在合金中含量的多少直接影响各种相变温度以及服役温度范围。Mn在凝固过程中以非均匀形核选分结晶，形成具有成分梯度分布的枝晶状富Mn区和贫Mn区，从而使得枝晶干和枝晶间发生相变的温度不同，Mn含量过高时，易使铸造性能变差，过低时反铁磁相变温度变低，服役温域变窄，宜优选采用含量75-85wt.％。

Ni：作为高熔点元素在凝固过程中首先非均匀形核形成富镍区，和Mn形成fcc相，完全固溶于fcc晶格。由于定向凝固过程中不同区域镍含量不同，从而决定不同区域在同一温度下将发生不同类型的相变，保证材料在宽温域内均具有优良的阻尼性能，同时，Ni为铁磁性元素，而Mn为顺磁性元素，在反铁磁转变之后，由于Ni、Mn的交互作用，富Mn区和富Ni区均可发生磁有序化从而大幅提高阻尼性能，过低和过高在凝固选分结晶时均不能形成多种相结构，无法达到复合相变强化的效果，宜采用含量15-20wt.％。

Cu：为顺磁性元素和MnNi一起形成固溶体。Cu和Ni亲和力较强，在凝固过程中聚集于富Ni区，影响反铁磁相变后元素间的磁能交互作用，对合金具有改性作用，Cu含量过高时，使得反铁磁相变与马氏体相变强烈耦合，无法达到复合相变强化的效果，宜采用含量0.5-5wt.％。

进一步地，所述合金制备包括以下步骤：

步骤一：准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga-In-Sn冷却池，将制备的铸态锰镍母合金放入空心刚玉管中，利用定向凝固炉对合金进行定向凝固；

步骤二：将装有锰镍基合金的刚玉管送到加热熔化区，待合金达到熔点1200-1350℃以上温度，保温20-50min，使合金充分熔化；

步骤三：以5-120μm/s的抽拉速度将液态合金往下拉入淬火池，得到(111)晶面取向占有的定向凝固阻尼合金材料。

进一步地，所述高阻尼合金的优选拉速为80-120μm/s。

进一步地，所述高阻尼合金具有(111)晶面择优取向。

进一步地，所述高阻尼合金在-70—180℃的服役温度范围具有稳定的弹性模量以及高阻尼性能。

进一步地，所述定向凝固高阻尼锰镍合金相组成为fcc、fct以及fco相。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过定向凝固过程的选分结晶以及Cu的改性作用，利用MnNi型锰基合金具有复杂相变特性的特点，使得制备的MnNi合金在-70℃至180℃宽泛的温度范围内均能稳定的保证高阻尼性能，服役温度范围是现有MnCu系合金的约1.5倍。

2、本发明合金相变过程无明显的软模效应，磁有序化亦无明显的模量波动，因此，在服役温度范围内在保持高阻尼的同时弹性模量非常稳定，不会发生结构失稳，具有使用温度范围宽、服役稳定性强的优点。

3、本发明所述的阻尼合金成分简单，不含贵重的合金元素，制备工艺流程短，生产效率高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例和对比例的XRD图谱；

图2为本发明实施例1富锰区(黑色)和富镍区(白色)的枝晶组织图；

图3为本发明对比例1常规方法制备的锰镍合金组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例和对比例所得合金的阻尼性能测试，是通过DMA-Q800型动态热机械分析仪进行，采用拉伸模式测量合金孪晶阻尼性能(tanδ)，测试振动频率为0.1Hz，振幅为2×10^-5。合金的金相组织利用DM6000型徕卡光学显微镜观察。X射线衍射(XRD)图谱在RigakuSmartLab型X射线衍射仪上进行，靶材为Cu靶，扫描速度为4.5°/min。

实施例1：真空炉中制备化学成分重量百分比Mn-17wt.％Ni-0.5wt.％Cu的锰镍基母合金，感应加热温度1250℃保温60min后浇铸、凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1350℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以120μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)取向占优，组成相为fcc、fct、fco，见附图1，微观组织见附图2；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.115-0.124，弹性模量稳定保持在15GPa左右。

实施例2：真空炉中制备化学成分重量百分比为Mn-20wt.％Ni-5wt.％Cu的锰镍基母合金，感应加热温度1450℃保温40min后浇铸、凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温80min，使合金充分熔化后，以80μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)取向占优，组成相为fcc、fct、fco；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.103-0.115，弹性模量保持在20GPa左右。

实施例3：真空炉中制备化学成分重量百分比为Mn-15wt.％Ni-3wt.％Cu的锰镍基母合金，感应加热温度1350℃保温30min后浇铸、凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以50μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)取向占优，组成相为fcc、fct、fco；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.078-0.088，弹性模量保持在18GPa左右。

实施例4：真空炉中制备化学成分重量百分比为Mn-18wt.％Ni-2wt.％Cu的锰镍基母合金，感应加热温度1450℃保温30min后浇铸、凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1200℃以上温度，保温50min，使合金充分熔化后，以5μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)取向占优，组成相为fcc、fct、fco；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.081-0.088，弹性模量保持在17GPa左右。

对比例1：为常规方法制备的MiNi合金。在真空炉中制备化学成分重量百分比为Mn-15wt％Ni的锰镍基母合金，感应加热温度1350℃保温20min后浇铸、凝固；将母合金材料在900℃的温度下,将铸锭锻造并热轧至厚10mm的板材，将板材放入电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为900℃，固溶时间为1h。固溶处理结束后，在400℃温度下保温1h进行时效处理，合金(111)取向亦表现为占优，组成相主要为fcc，见附图1，微观组织见附图2；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.008-0.033，弹性模量在58-78GPa左右。阻尼性能大幅降低，且具有明显的软模效应。

对比例2：真空炉中制备化学成分配Mn-20wt.％Cu-5wt.％Ni-2wt.％Fe的锰铜型锰基阻尼合金，感应加热温度1350℃保温30min后浇铸、凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以100μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)取向占优，组成相为fcc、fct；合金在-70℃、25℃、180℃处的内耗为：0.003-0.087，弹性模量保持在42-86GPa左右，内耗和弹性模量都不稳定。

表1为本发明实施例合金与对比例合金的阻尼性能对比。

通过实施例1-4和对比例1可知，采用重量百分比为：Mn:75-85wt.％、Ni：15-20wt.％、Cu：0.5-5wt.％的镍基母合金经定向凝固方法所制得的MnNi合金，其阻尼性能是轧态MnNi基合金的4～11倍，且拥有稳定的弹性模量；对比例2为目前最常见的MnCu型阻尼合金，用同样方法制备后，内耗和弹性模量都不稳定。

实施例1-4采用定向凝固制备的MnNi合金在-70℃、25℃、180℃温度范围内阻尼能力接近均为传统方法的4倍以上，且均能够保持模量基本稳定，具有阻尼能力强、服役稳定性好的优越特征。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明涉及的化学成分以定向凝固制备工艺不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

本实施例的一个具体应用为：将合金元素放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250-1450℃保温30-60min，使得原材料充分熔化后浇铸，从而得到母合金铸锭，然后准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga-In-Sn冷却池，将制备的铸态锰镍母合金放入空心刚玉管中，利用定向凝固炉对合金进行定向凝固，将装有锰镍基合金的刚玉管送到加热熔化区，待合金达到熔点1200-1350℃以上温度，保温20-50min，使合金充分熔化，以5-120μm/s的抽拉速度将液态合金往下拉入淬火池，得到(111)晶面取向占有的定向凝固阻尼合金材料。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，包括原料制备和合金制备，其特征在于：所述原料制备包括以下步骤：

合金元素按重量百分配比为：Mn:75-85wt.％、Ni：15-20wt.％、Cu：0.5-5wt.％和其他不可避免的杂质，然后将原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250-1450℃保温30-60min，使得原材料充分熔化后浇铸，从而得到母合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，其特征在于：所述合金制备包括以下步骤：

步骤一：准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga-In-Sn冷却池，将制备的铸态锰镍母合金放入空心刚玉管中，利用定向凝固炉对合金进行定向凝固；

步骤二：将装有锰镍基合金的刚玉管送到加热熔化区，待合金达到熔点1200-1350℃以上温度，保温20-50min，使合金充分熔化；

步骤三：以5-120μm/s的抽拉速度将液态合金往下拉入淬火池，得到(111)晶面取向占有的定向凝固阻尼合金材料。

3.根据权利要求1所述的一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，其特征在于：所述高阻尼合金的优选拉速为80-120μm/s。

4.根据权利要求1所述的一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，其特征在于：所述高阻尼合金具有(111)晶面择优取向。

5.根据权利要求1所述的一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，其特征在于：所述高阻尼合金在-70—180℃的服役温度范围具有稳定的弹性模量以及高阻尼性能。

6.根据权利要求1所述的一种复合相变强化型高阻尼锰镍基减震合金制备方法，其特征在于：所述定向凝固高阻尼锰镍合金相组成为fcc、fct以及fco相。

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