CN114134378A - 一种高熵型高温锰基阻尼合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高熵型高温锰基阻尼合金材料及其制备方法，合金材料，其组分元素化学元素质量百分比为：Cu：18‑23wt.％；Ni：3‑8wt.％；Fe：1‑3wt.％；Zn：20‑25wt.％；余量为Mn和其他不可避免的杂质。本发明合金充分发挥高熵效应提高合金在高温下的阻尼性能，使得发明的高熵型锰基合金在400℃至700℃的高温范围内具有高阻尼性能，可以适用复杂、高温环境条件下的振动噪声控制。本发明阻尼合金成分简单，制造成本低。

Description

一种高熵型高温锰基阻尼合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属功能材料领域，具体的说，涉及一种高熵的高温阻尼合金的设计与制备，本发明制备的MnZnCuNiFe合金适用于400-700℃，可广泛应用于航空航天、交通运输、发动机等方面的减振及降噪等工程领域。
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。采用附加减振、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。现有的技术通常是采用Mn-Cu基阻尼合金来设计制造构件来阻断振动源，如专利CN201310553896.1公开了一种具有优良力学性能的高锰含量锰铜基高阻尼合金，通过添加高熔点金属和稀土元素，经过锻造以及后续热处理，从而使得合金具有优良的阻尼性能和力学性能。专利CN201410192802.7公开了一种高阻尼Mn-Cu基减振合金及其制备方法，该合金以添加Al、Zn和Th等合金元素为主要特点，同样经过锻造以及后续热处理，从而使得合金具有良好的减震性能。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-70℃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振特性，其阻尼性能在400℃以上高温下并不理想，这很大的限制了阻尼合金的应用。
众所周知，高温下具有较好阻尼性能的合金例如Mg系阻尼合金的力学性能较差，而NiTi系列合金可通过添加Zr、Pd等贵重合金元素提高使用温度，但显而易见制造成本较高。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400℃以上高温环境下的噪音和振动控制的需求。
高熵合金具有很多特殊的物理、化学及力学性能，最近几年的研究颇受关注。高混合熵会降低体系自由能，提高体系稳定性，加强元素间的互溶，阻碍金属间化合物的产生。合金中的原子具有不同晶体结构和结合能，会产生很大的晶格畸变，随着高熵合金中组元数量的增多，晶格畸变程度会更大，从而会导致显著的固溶强化作用，有效提高合金的强度和硬度等力学性能。如AlCoCrFeNi高熵合金在100-400℃时具有稳定的阻尼性能，Tanδ可以达0.01左右，但阻尼性能较低且成本较高。而商业化生产和应用的M2052锰基阻尼合金的混合熵仅为0.78R，从增熵的角度看还有很大的提升空间，因此，阻尼合金在引入高熵的概念的基础上进行设计开发，有望显著提高其高温下的阻尼性能。
发明内容
为了解决现有技术制备的合金服役温度低问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高熵型高温锰基阻尼合金材料及其制备方法，利用锰基合金的良好综合性能，充分发挥高熵效应提高合金在高温下的阻尼性能，使得发明的高熵型锰基合金在400-700℃的高温范围内均能用于高阻尼性能，能适用复杂、高温环境条件下的振动噪声控制。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，其组分元素化学元素质量百分比为：
Cu：18-23wt.％；
Ni：3-8wt.％；
Fe：1-3wt.％；
Zn：20-25wt.％；
余量为Mn和其他不可避免的杂质。
优选地，本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料，其组分元素化学元素质量百分比为：
Cu：18-21wt.％；
Ni：3-8wt.％；
Fe：1-3wt.％；
Zn：20-25wt.％；
Mn:40-58wt.％；
余量为其他不可避免的杂质。
优选地，本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料的相组成为fcc相。
优选地，本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料的混合熵不小于1.18R。
优选地，本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料的在400-700℃的服役温度下的阻尼性能Q-1不小于0.0116。
优选地，本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料的抗拉强度不小于606MPa，其伸长率不小于33.3％。
一种本发明高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为：Mn:40-58wt.％、Zn：20-25wt.％、Cu：18-23wt.％、Ni：3-8wt.％、Fe：1-3wt.％的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1350-1450℃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)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在900-950℃下加热，随后锻造或热轧成合金板材，控制终轧或终锻温度不低于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶处理，固溶工艺为900-950℃保温30-60min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
优选地，在所述步骤(2)中，锻造或热轧成厚度为10-20mm的合金板材。
本发明所述的感应熔炼高温高阻尼锰基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物相的稳定性以及服役温度范围。Mn含量过高时，易使熔炼和铸造性能变差，宜优选采用含量40-58wt.％。
Zn：固溶于Mn，占据fcc晶格点阵，提高合金高温阻尼性能，含量过高时熔炼难度增加，过低达不到效果，宜采用含量20-25wt.％。
Cu：和Mn完全固溶，使fcc相结构稳定存在，提高合金高温阻尼性能以及服役稳定性，宜采用含量18-23wt.％。
Ni：完全固溶于fcc晶格，稳定fcc晶格，改善合金的强度和韧性，提高合金的高温阻尼性能，过低和过高在凝固选分结晶时均不能形成多种相结构，宜采用含量3-8wt.％。
Fe：完全固溶于fcc相中，提高合金的强度，Fe含量过高时阻尼性能变差，过低时力学性能降低，宜采用含量1-3wt.％。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明合金使得合金的混合熵不小于1.18R，使得制备的Mn基合金在400-700℃宽泛的温度范围内具有高的阻尼性能，服役温度比现有MnCu系合金高至少4倍；
2.本发明阻尼合金常规力学性能较目前商业化的Mn基阻尼合金，其强度以及塑性都更好，更适用于制造结构件，服役稳定性强；
3.本发明阻尼合金主要使用经济性合金元素，制造成本低，易于实现，适合推广应用。
附图说明
图1是本发明优选实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的XRD图谱。
图2是本发明实施例1高熵型高温锰基阻尼合金材料的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，并与MnCu型锰基合金的阻尼性能进行比较。
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，采用三点弯曲模式测量合金孪晶阻尼性能(tanδ)以及储能模量(E)，测试振动频率为0.1Hz，振幅为5×10-5。使用带有15mm引伸计的10kN试验机测试试样的拉伸曲线，试验应变速率为0.0067/s，预载荷为5MPa。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
在本实施例中，一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，按照组分元素化学元素质量百分比计算，为Mn-18wt％Cu-3wt％Ni-2wt％Fe-25wt％Zn的锰基母合金。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为Mn-18wt％Cu-3wt％Ni-2wt％Fe-25wt％Zn的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1350℃保温60min，使得原材料充分熔化后浇铸，凝固，从而得到母合金铸锭；
(2)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在950℃下加热，随后热轧成厚度为10mm的合金板材，控制终轧温度大于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶热处理，固溶工艺为900℃保温30min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料在400-700℃处的内耗不小于0.0129。参见图2，图2是本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的金相组织图，为单相奥氏体组织。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，按照组分元素化学元素质量百分比计算，为Mn-21wt％Cu-8wt％Ni-1wt％Fe-20wt％Zn的锰基母合金。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为Mn-21wt％Cu-8wt％Ni-1wt％Fe-20wt％Zn的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1450℃保温30min，使得原材料充分熔化后浇铸，凝固，从而得到母合金铸锭；
(2)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在950℃下加热，随后热轧成厚度为20mm的合金板材，控制终轧温度大于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶热处理，固溶工艺为900℃保温60min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料在400-700℃处的内耗不小于0.0124。
实施例3
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，按照组分元素化学元素质量百分比计算，为Mn-20wt％Cu-5wt％Ni-2wt％Fe-23wt％Zn的锰基母合金。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为Mn-20wt％Cu-5wt％Ni-2wt％Fe-23wt％Zn的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1400℃保温40min，使得原材料充分熔化后浇铸，凝固，从而得到母合金铸锭；
(2)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在900℃下加热，随后热轧成厚度为20mm的合金板材，控制终轧温度大于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶热处理，固溶工艺为900℃保温60min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料在400-700℃处的内耗不小于0.0116。
实施例4
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，按照组分元素化学元素质量百分比计算，为Mn-19wt％Cu-7wt％Ni-3wt％Fe-24wt％Zn的锰基母合金。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为Mn-19wt％Cu-7wt％Ni-3wt％Fe-24wt％Zn的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1350℃保温50min，使得原材料充分熔化后浇铸，凝固，从而得到母合金铸锭；
(2)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在900℃下加热，随后热轧成厚度为15mm的合金板材，控制终轧温度大于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶热处理，固溶工艺为900℃保温60min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
本实施例高熵型高温锰基阻尼合金材料在400-700℃处的内耗不小于0.0131。
对比例
为商业应用广泛的MnCuNiFe阻尼合金。在真空炉中制备化学成分重量百分比为Mn-20wt.％Cu-5wt.％Ni-2wt.％Fe的锰基母合金，感应加热温度1350℃保温60min后浇铸、凝固；将母合金材料900℃热轧为20mm的板材，然后在热处理炉中900℃固溶1小时后水淬，然后在435℃时效2小时后空冷。合金的阻尼性能较差，合金在400℃-700℃处的内耗约0.005。
表1为上述优选实施例合金与对比例合金的阻尼性能与力学性能对比表。
Figure BDA0003263033700000061
通过实施例1-4和对比例可知，采用重量百分比为：Mn:40-58wt.％、Cu：18-23wt.％、Ni：3-8wt.％、Fe：1-3wt.％、Zn：20-25wt.％的锰基母合金经感应熔炼方法所制得的Mn基阻尼合金，均为fcc结构，见图1；金相组织见图2，为单相奥氏体组织；其高温阻尼性能是商用MnCuNiFe合金的2倍以上，而且其强度以及伸长率均较商用MnCuNiFe阻尼合金提升15％以上，具有阻尼能力强、应用范围广、力学性能高、服役稳定性好的优越特征。
综上所述，上述实施例高熵型高温锰基阻尼合金充分发挥高熵效应提高合金在高温下的阻尼性能，使得发明的高熵型锰基合金在400℃至700℃的高温范围内具有高阻尼性能，可以适用复杂、高温环境条件下的振动噪声控制。本发明阻尼合金成分简单，制造成本低。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于，其组分元素化学元素质量百分比为：
Cu：18-23wt.％；
Ni：3-8wt.％；
Fe：1-3wt.％；
Zn：20-25wt.％；
余量为Mn和其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于：其组分元素化学元素质量百分比为：
Cu：18-21wt.％；
Ni：3-8wt.％；
Fe：1-3wt.％；
Zn：20-25wt.％；
Mn:40-58wt.％；
余量为其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于：其相组成为fcc相。
4.根据权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于：其混合熵不小于1.18R。
5.根据权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于：其在400-700℃的服役温度下的阻尼性能Q-1不小于0.0116。
6.根据权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料，其特征在于：其抗拉强度不小于606MPa，其伸长率不小于33.3％。
7.一种权利要求1所述高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)母合金铸锭制备：
将合金元素按重量百分配比为：Mn:40-58wt.％、Zn：20-25wt.％、Cu：18-23wt.％、Ni：3-8wt.％、Fe：1-3wt.％的原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，在熔化期间通入氩气保护气氛，感应加热到1350-1450℃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)将在所述步骤(1)中制备的母合金铸锭在900-950℃下加热，随后锻造或热轧成合金板材，控制终轧或终锻温度不低于600℃，得到合金板材；
(3)将在所述步骤(2)中制备的合金板材放入电阻炉中进行固溶处理，固溶工艺为900-950℃保温30-60min，然后水淬，得到高熵型高温锰基阻尼合金材料。
8.根据权利要求7所述高熵型高温锰基阻尼合金材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，锻造或热轧成厚度为10-20mm的合金板材。
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