CN115522112A - 一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料及其制备方法，所述的轻质高强韧多主元阻尼合金的原料组分质量百分比为：Al：1~5%、Co：25~35%、Ni：25~35%，余量为铁。由纯度大于99.95%的Fe、Co、Ni单质和Ni‑Al二元合金作为原料熔炼而成。制备方法包括：前处理、铸锭熔炼、合金均匀化、机械加工、热处理五个步骤。本发明发挥多主元合金的鸡尾酒效应，通过制备工艺向合金中引入固溶强化、细晶强化。本发明制备的多主元阻尼合金材料为单相FCC结构组织特征，具有较好的强韧性和阻尼性能搭配，在室温下其抗拉强度超过610MPa，断裂应变在35%以上，阻尼内耗值Q‑1大于0.025，本发明制备工艺简单，易于实现，可适用于复杂环境条件下的阻尼结构材料。
Description
技术领域
本发明属于金属功能材料领域，具体涉及一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料及其制备方法。
背景技术
随着科技的不断发展，航空航天、军事装备、路上交通和各种工业机械设备越来越追求高速化和大功率，这些频率范围较宽的随机激振会引起机械设备上一些结构的共振效应，从而使仪器部件失效、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。而降低材料密度，使工业设备减重是实现节能减排的重要思路。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。目前应用较多的金属阻尼材料是Mn-Cu系、Cu-Zn-Al系、Fe-Cr-Mo系合金，这类合金的阻尼性能很好，但强度不高且密度较大，限制了这类合金在机械设备领域中的广泛应用。
近年来，采用多主元成分设计思路发展新型材料引起了人们越来越多关注。多主元合金是以多种元素为主元，每种元素原子百分比相等或近似相等，设计出具有较高混合熵的新型合金。由于多主元合金具有较高的混合熵，使得合金具有优异的综合性能，比如高强、高韧、优异耐腐蚀性、良好温度稳定性等，受到科研工作者的广泛关注。
发明内容
本发明旨在提供一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料及其制备方法。提出一种既能提高强韧又降低密度的方法是在Fe-Co-Ni基合金体系中添加轻质元素Al，通过多主元合金成分优化设计和特定的制备工艺，向合金中引入固溶强化、细晶强化，从而提高合金的强韧性和阻尼性能。该合金的成分特征总体上有三个方面：一是Fe、Co和Ni的含量接近，是一种多主元合金；二是通过添加Al的含量，使合金的密度大幅度降低，三是通过特定的制备工艺，提高了合金的强韧性和阻尼性能。因此，本发明解决的关键技术是一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料极其制备方法。
优选地，本发明提供了一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料及其制备方法，所述合金材料的原料组分质量百分比为：Al：1~5%、Co：25~35%、Ni：25~35%；余量为铁。
一种本发明轻质高强韧多主元阻尼合金材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）前处理：选用纯度均大于99.95%（质量分数wt.%）的Fe、Co、Ni和Ni-Al二元合金为原料。配料前，经不同型号砂纸（400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#）打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：按放料要求将配好原料放入熔炼炉坩埚中，其中，Fe和Ni-Al二元合金放入1号坩埚内，Co和Ni单质放入2号坩埚内，钛块放在3号坩埚内；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105~0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，将电弧移到1号坩埚，控制电流320~360A熔炼纯Fe和Ni-Al二元合金2~3次；将电极对准2号坩埚的Co和Ni，控制电流350~400A熔炼2~3次；将1号坩埚内铸锭移到2号坩埚内，控制电流360~420A再反复熔炼3次。每熔炼一次后进行翻转，熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电流控制在180~200A对准铸锭中心熔炼不少于1min，断弧后让合金随炉冷却得到饼状铸锭；
（3）合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1100~1300℃下均匀化2~24h，气氛为氩气，再进行水淬火，优选地均匀化温度为1200℃，时间为2~4h；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在5~10mm/次，轧制变形量控制在50~95%，获得合金板材；
（5）热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于600~1000℃下热处理0.5~12h，气氛为氩气，再进行水淬火。优选地热处理温度为750~850℃，时间为2~4h。获得轻质高强韧多主元阻尼合金材料。
本发明的有益效果：
（1）本发明内容的轻质高强韧多主元阻尼合金材料成分准确、克服了制备过程中低熔点元素烧损少的问题，组织结构均匀，为单相FCC结构；
（2）本发明内容的轻质高强韧多主元阻尼合金材料抗拉强度超过610MPa，断裂应变在35%以上，具有优异的断裂强度和塑性变形能力；
（3）本发明内容的轻质高强韧多主元阻尼合金材料室温下内耗值Q-1大于0.02，具有良好的阻尼性能；
（4）本发明内容的轻质高强韧多主元阻尼合金材料具有密度小，轻质的特点，满足工业设备减重、是实现节能减排的重要措施；
（5）本发明内容的轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备工艺简单，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轻质高强韧多主元阻尼合金材料的XRD图谱。
图2是本发明优选实施例轻质高强韧多主元阻尼合金材料金相显微组织。
图3是本发明优选实施例轻质高强韧多主元阻尼合金材料的工程应力应变图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施方式是一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料，原料质量百分比为：Fe：31.71%、Co：33.45%、Ni：33.31%、Al：1.53%，这些原料的纯度均大于99.95%。
上述用于一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）前处理：选用纯度均大于99.95%（质量分数wt.%）的Fe、Co、Ni单质和Ni-Al二元合金为原料。经不同型号砂纸（400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#）打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：将配好单质Fe、Ni-Al二元合金放入1号坩埚内，Co、Ni单质放入2号坩埚内，钛块放在3号坩埚内；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105~0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，将电弧移到1号坩埚，控制电流320~360A熔炼Fe和Ni-Al二元合金2~3次；将电极对准2号坩埚的Co和Ni，控制电流350~400A熔炼2~3次；将1号坩埚内铸锭移到2号坩埚内，控制电流360~420A再反复熔炼3次。每熔炼一次后进行翻转，熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电流控制在180~200A对准铸锭中心熔炼不少于1min，断弧后让合金随炉冷却得到饼状铸锭；
（3）合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1200℃下均匀化3h，气氛为氩气，再进行水淬火；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在7mm/次，总轧制变形量控制为90%，获得合金板材；
（5）热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于800℃下热处理3h，气氛为氩气，再进行水淬火。获得轻质高强韧多主元阻尼合金材料。
实施例2：
本实施方式是一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料，原料质量百分比为：Fe：31.22%、Co：32.95%、Ni：32.81%、Al：3.02%，这些原料的纯度均大于99.95%。
上述用于一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）前处理：选用纯度均大于99.95%（质量分数wt.%）的Fe、Co、Ni单质和Ni-Al二元合金为原料。经不同型号砂纸（400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#）打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：将配好单质Fe、Ni-Al二元合金放入1号坩埚内，Co、Ni单质放入2号坩埚内，钛块放在3号坩埚内；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105~0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，将电弧移到1号坩埚，控制电流320~360A熔炼Fe和Ni-Al二元合金2~3次；将电极对准2号坩埚的Co和Ni，控制电流350~400A熔炼2~3次；将1号坩埚内铸锭移到2号坩埚内，控制电流360~420A再反复熔炼3次。每熔炼一次后进行翻转，熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电流控制在180~200A对准铸锭中心熔炼不少于1min，断弧后让合金随炉冷却得到饼状铸锭；
（3）合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1200℃下均匀化3h，气氛为氩气，再进行水淬火；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在5~10mm/次，总轧制变形量控制为90%，获得合金板材；
（5）热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于800℃下热处理3h，气氛为氩气，再进行水淬火。获得轻质高强韧多主元阻尼合金材料。
实施例3：
本实施方式是一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料，原料质量百分比为：Fe：30.76%、Co：32.46%、Ni：32.32%、Al：4.46%，这些原料的纯度均大于99.95%。
上述用于一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）前处理：选用纯度均大于99.95%（质量分数wt.%）的Fe、Co、Ni单质和Ni-Al二元合金为原料。经不同型号砂纸（400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#）打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗20min，在干燥箱中干燥1h，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：将配好单质Fe、Ni-Al二元合金放入1号坩埚内，Co、Ni单质放入2号坩埚内，钛块放在3号坩埚内；抽真空至1.5×10-3Pa以下，充入高纯保护气体使得炉内压强为0.4×105~0.5×105Pa；开始熔炼，先熔炼钛块以去除炉内残留氧气，将电弧移到1号坩埚，控制电流320~360A熔炼Fe和Ni-Al二元合金2~3次；将电极对准2号坩埚的Co和Ni，控制电流350~400A熔炼2~3次；将1号坩埚内铸锭移到2号坩埚内，控制电流360~420A再反复熔炼3次。每熔炼一次后进行翻转，熔炼最后一遍时，为防止合金出现裂纹等缺陷，将电流控制在180~200A对准铸锭中心熔炼不少于1min，断弧后让合金随炉冷却得到饼状铸锭；
（3）合金均匀化：将所得铸锭在高纯保护气体下于1200℃下均匀化3h，气氛为氩气，再进行水淬火；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行单向多道次室温轧制，单道次轧制量控制在5~10mm/次，总轧制变形量控制为90%，获得合金板材；
（5）热处理：将所得合金板材在高纯保护气体下于800℃下热处理3h，气氛为氩气，再进行水淬火。获得轻质高强韧多主元阻尼合金材料。
对比实施例1：
原料质量百分比为：Fe：32.20%、Co：33.97%、Ni：33.83%，这些原料的纯度均大于99.95%。
制备工艺采用和实施例同等的条件进行制备。
对比实施例2：
原料质量百分比为：Fe：30.76%、Co：32.46%、Ni：32.32%、Al：4.46%，这些原料的纯度均大于99.95%。
对比实施例2制备工艺中，最后一步热处理温度选择500℃保温3h，其余制备工艺步骤和实施例相同。
实验数据
分别对实施例1~3和对比例1~2制备的合金板材进行金相组织分析、力学性能和阻尼性能测试。图1为实施例1~3合金材料的XRD图谱，图2为实施例1~2合金材料的金相组织微观图，易得实施例1~3合金材料组织结构均匀，相结构为单向FCC结构。
表1为上述实施例合金与对比例合金的力学性能与阻尼性能对比表
从表1中可以得出，本发明制备的轻质高强韧多主元阻尼合金材料抗拉强度均超过610MPa，断裂应变都在35%以上。而对比实施例1抗拉强度只有523MPa，与本发明相比，抗拉强度明显较低；对比实施例2制备的阻尼合金材料表现出一种脆性材料，强度虽然达到1743MPa，几乎没有延伸率，韧性较差。
综上，采用质量百分比为：Al：1~5 wt.%、Co：25~35 wt.%、Ni：25~35 wt.%；余量为铁。熔炼工艺采用分坩埚控制电流熔炼，最后进行合并熔炼的方法制备得到的阻尼合金，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。可以适用复杂环境条件下的振动噪声控制。本发明阻尼合金制备工艺简单，易于实现，适合推广应用。
Claims (9)
1.一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料组分质量百分比为：Al：1~5%、Co：25~35%、Ni：25~35%；余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料，其特征在于，所述一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法包括如下步骤：
（1）前处理：选用纯度均大于99.95%（质量分数wt.%）的Fe、Co、Ni和Ni-Al二元合金为原料，经砂纸打磨原料表面以去除表面氧化皮和杂质，在无水乙醇中超声清洗，于干燥箱中干燥，按照原料组分配比配料；
（2）铸锭熔炼：将配好原料按放料要求放入熔炼炉坩埚中，抽真空，往炉内充入高纯保护气体；开始熔炼，先熔炼钛块，然后分别熔炼Fe和Ni-Al二元合金，Co和Ni单质原料，最后移到同一坩埚内进行合并熔炼；合金熔炼翻转5-7次以保证成分均匀性；熔炼结束后，逐步降低熔炼电流让合金缓慢冷却，得到合金铸锭；
（3）合金均匀化：将合金铸锭在高纯保护气体下于一定温度内保温一段时间，再进行水淬火处理；
（4）机械加工：将水淬火后的铸锭进行室温轧制得到合金板材；
（5）热处理：将合金板材在保护气体下进行中温退火处理，再进行水淬火处理，获得轻质高强韧多主元阻尼合金材料。
3.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，步骤（1）所述超声清洗时间不低于20min，干燥时间不低于1h。
4.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，所述步骤（2）铸锭熔炼的放料要求，Fe和Ni-Al二元合金放入1号坩埚内，Co和Ni单质原料放入2号坩埚内，钛块放入3号坩埚中。
5.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，步骤（2）熔炼过程中，先控制电流320~360A熔炼1号坩埚内的Fe和Ni-Al二元合金2~3次，再控制电流350~400A熔炼2号坩埚内的Co和Ni 2~3次，用手柄将1号坩埚内铸锭移到2号坩埚内，再控制电流360~420A反复熔炼3次，熔炼最后一遍时，将电流控制在180~200A对准铸锭中心熔炼不少于1min。
6.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，所述合金均匀化温度控制在1100~1300℃之间，时间为2~24h，气氛为氩气，优选地均匀化温度为1200℃，时间为2~4h。
7.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，所述机械加工为单向多道次轧制，单道次轧制量控制在5~10mm/次，轧制变形量控制在50~95%。
8.根据权利要求2所述的一种轻质高强韧多主元阻尼合金材料制备方法，其特征在于，所述热处理温度控制在600~1000℃之间，时间为0.5~12h，气氛为氩气，优选地热处理温度为750~850℃，时间为2~4h。
9.本发明制备的一种轻质高强韧多主元阻尼合金具有密度低、强韧性好、阻尼性能优异，可应用于航空航天、交通运输、发动机等方面的减振及降噪等工程领域。
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| CN115074598A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-20 | 北京理工大学 | 一种具有高阻尼性能、高强度的多主元合金及制备工艺 |
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2022
- 2022-10-14 CN CN202211261507.3A patent/CN115522112A/zh active Pending
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