CN115710663B - 一种锰铜基阻尼涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面涂层技术领域，具体涉及一种锰铜基阻尼涂层及其制备方法。该阻尼涂层由以下质量百分比的粉末原料混合组成：Cu 20～75％，Ni 1～2％，Al 0～1.5％，La 0～0.5％，其余为Mn，阻尼涂层厚度为50～100μm。该阻尼涂层的制备方法包括S1.制备Mn‑Cu复合粉体；S2.在基体上喷涂Mn‑Cu复合粉体；S3.将喷涂有Mn‑Cu复合粉体的基体进行热处理后真空冷却，得到所需的锰铜基阻尼涂层。本发明通过在机械构件表面制备锰铜合金涂层，可以在保持基体强度的同时发挥Mn‑Cu的阻尼减振性能，达到材料强度和减振性能的协同提升，实现结构‑功能一体化的终极目标。
Description
技术领域
本发明属于表面涂层技术领域，具体涉及一种锰铜基阻尼涂层及其制备方法。
背景技术
随着各种高精密设备在航空航天、精密机加工、精密测量等领域的广泛应用，微振动干扰带来的危害日益显现。采用高阻尼材料，通过内部缺陷(孪晶、位错)的运动和结构转变来吸收振动能，可以有效的消除微振动的影响，从而起到微振动衰减和阻隔的效果，有助于提升高灵敏度系统的精度、稳定性和寿命。
锰铜减振合金是目前研究和应用较多的减振降噪材料之一，相比于其它减振阻尼材料，锰铜基减振合金因其具有宽温区、低振幅高阻尼、高强度等综合优势。但是，该合金的强度低、耐腐蚀性差，不适合用作整体构件。如何获得高强度、优异减振性能的锰铜合金材料是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锰铜基阻尼涂层及其制备方法，该阻尼涂层能够在保持基体强度的同时发挥Mn-Cu的减振性能，能够解决现有技术中Mn-Cu合金的强度低、耐腐蚀性差、不适合用作整体构件的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种锰铜基阻尼涂层，该阻尼涂层由以下质量百分比的粉末原料混合组成：Cu 20～75％，Ni 1～2％，Al 0～1.5％，La 0～0.5％，其余为Mn，所述阻尼涂层厚度在50～100μm。
上述阻尼涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1.将所需质量份的Cu、Ni、Al、La和Mn粉体混合，经过喷雾干燥二次造粒后得到粒径为10～60μm的Mn-Cu复合粉体；
S2.以氩气为喷涂主气、氢气为辅气，在真空环境下利用大气等离子体喷涂法将Mn-Cu复合粉体喷涂至待涂层的基体上；喷涂工艺参数为：电弧电压60～70V，电弧电流400～600A，氩气流量为40～50L/min，氢气流量为4～7L/min，Mn-Cu复合粉体的送粉速率为15～30g/min，喷涂距离为100～120mm，喷涂时间为10～120min；
S3.喷涂结束后，将喷涂有Mn-Cu复合粉体的基体进行热处理，真空冷却后即获得Mn-Cu基阻尼涂层。
优选的，所述Cu、Ni、Al、La和Mn粉体的平均粒度为50～200nm。
优选的，所述步骤S2中等离子体喷涂法采用内送粉工艺。
优选的，所述步骤S3中的热处理具体为，温度300～500℃，保温时间50～180min，升温速率5～20℃/min。
优选的，所述Mn-Cu复合粉体喷涂前，还包括对基体进行预处理步骤，所述预处理包括喷砂和表面清洗，所述喷砂使用喷砂机对基体表面喷砂到表面粗超度达到Ra3。
优选的，所述基体为无氧铜、铜合金、钛合金、镁铝合金、钢、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷中的任意一种。
本发明的有益效果为：
表面涂层是通过物理或化学的方法在基体的表面制定的一层具有特殊功能的薄层，可以通过协调发挥涂层和基体的优点实现综合性能的提升。本发明通过在各种机械构件表面制备锰铜合金涂层，所优选的涂层成分配比可以获得具有可动高密度孪晶结构的阻尼涂层，利用孪晶的运动消耗能量，从而实现Mn-Cu合金的阻尼减振性能。本发明可以在保持基体强度的同时发挥Mn-Cu的减振性能，达到材料强度和减振性能的协同提升，实现结构-功能一体化的终极目标。
附图说明
图1为实施例1Cu71Mn26Ni0.7Al1.8La0.5合金涂层的SEM图；
图2为实施例1Cu71Mn26Ni0.7Al1.8La0.5合金涂层的X-ray衍射谱；
图3为实施例1-3的Mn-Cu合金涂层涂覆前后304不锈钢的振动能对比。
具体实施方式
除非另有说明，本文中所使用的术语均具有本领域技术人员常规理解的含义。
下面结合实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
实施例1
Cu71Mn26Ni0.7Al1.8La0.5合金涂层
制备方法如下：
S1.制备喷涂粉体：纯度大于99.95％、粒度为50nm～200nm的Mn,Cu,Ni,Al,La粉体，按Cu 71％，Ni 0.7％，Al 1.8％，La 0.5％，Mn 26％的质量比混合，并经过喷雾干燥二次造粒后得到粒径为50μm的Mn-Cu复合粉体；
S2.基材表面预处理：选择304不锈钢材质基体，经过喷砂预处理到表面粗超度为Ra3，再经酒精或丙酮清洗，获得洁净、粗糙的表面。
S3.喷涂：使用大气等离子体喷涂设备，以氩气为喷涂主气、氢气为辅气，在真空环境下利用大气等离子体喷涂法将制备的Mn-Cu复合粉体喷涂至经S2预处理过的基体表面。
上述喷涂设备的功率为27～40kW，送粉方式为内送粉。喷涂工艺参数为：电弧电压70V，电弧电流400A，氩气流量为40L/min，氢气流量为5L/min，Mn-Cu复合粉体的送粉速率为20g/min，喷涂距离为120mm，喷涂时间为30min。该步骤中，采用氩气为喷涂主气、氢气为辅气，目的是提高喷涂功率并防止涂层基体氧化；送粉方式采用内送粉，目的是提高粉体熔化效率，抑制氧化。
S4.喷涂结束后，将喷涂有Mn-Cu复合粉体的基体在真空环境下进行进行热处理，热处理温度420℃，时间60min，升温速率为10℃/min，真空冷却后获得Mn-Cu基阻尼涂层，涂层厚度50μm，记为Cu71Mn26Ni0.7Al1.8La0.5。
实施例2
Cu52Mn45Ni1.4Al1.3La0.3合金涂层
制备方法如下：
S1.制备喷涂粉体：纯度大于99.95％、粒度为50～200nm的Mn、Cu、Ni、Al、La粉体，按Cu 52％，Ni 1.4％，Al 1.3％，La 0.3％，Mn 45％的质量比混合并经过喷雾干燥二次造粒后得到粒径为50μm的Mn-Cu复合粉体。
S2.基材表面预处理：选择304不锈钢材质基体，经过喷砂预处理到表面粗超度为Ra3，再经酒精或丙酮清洗，获得洁净、粗糙的表面。
S3.喷涂：使用大气等离子体喷涂设备，以氩气为喷涂主气、氢气为辅气，在真空环境下利用大气等离子体喷涂法将制备的Mn-Cu复合粉体喷涂至经S2预处理过的基体表面。
上述喷涂设备的功率为27～40kW，送粉方式为内送粉。喷涂工艺参数为：电弧电压70V，电弧电流400A，氩气流量为40L/min，氢气流量为5L/min，Mn-Cu复合粉体的送粉速率为20g/min，喷涂距离为120mm，喷涂时间为30min。
S4.喷涂结束后，将喷涂有Mn-Cu复合粉体的基体在真空环境下进行进行热处理，热处理温度420℃，时间60min，升温速率为10℃/min，真空冷却后获得Mn-Cu基阻尼涂层，涂层厚度50μm，记为Cu52Mn45Ni1.4Al1.3La0.3。
实施例3
Cu25Mn73Ni0.7Al1.0La0.3合金涂层
制备方法如下：
S1.制备喷涂粉体：纯度大于99.95％、粒度为50～200nm的Mn、Cu、Ni、Al、La粉体，按Cu 25％，Ni 0.7％，Al 1.0％，La 0.3％，Mn 73％的质量比混合，并经过喷雾干燥二次造粒后得到粒径为50μm的Mn-Cu复合粉体。
S2.基材表面预处理：选择304不锈钢材质基体，经过喷砂预处理到表面粗超度为Ra3，再经酒精或丙酮清洗，获得洁净、粗糙的表面。
S3.喷涂：使用大气等离子体喷涂设备，以氩气为喷涂主气、氢气为辅气，在真空环境下利用大气等离子体喷涂法将制备的Mn-Cu复合粉体喷涂至经S2预处理过的基体表面。
上述喷涂设备的功率为27～40kW，送粉方式为内送粉。喷涂工艺参数为：电弧电压70V，电弧电流400A，氩气流量为40L/min，氢气流量为5L/min，Mn-Cu复合粉体的送粉速率为20g/min，喷涂距离为120mm，喷涂时间为30min。
S4.喷涂结束后，将喷涂有Mn-Cu复合粉体的基体在真空环境下进行进行热处理，热处理温度420℃，时间60min，升温速率为10℃/min，真空冷却后获得Mn-Cu基阻尼涂层，涂层厚度50μm，记为Cu25Mn73Ni0.7Al1.0La0.3。
对实施例1-3的合金涂层进行相关性能检测，结果如图1-图3所示。
图1为Cu71 Mn26Ni0.7Al1.8La0.5合金涂层的SEM图片，可以看到涂层内部存在大量的退火孪晶。
图2为Cu71Mn26Ni0.7Al1.8La0.5合金涂层的X-ray衍射谱，可以看到由四个衍射峰，分别对应(111)，(200)，(220)，(311)衍射面，说明涂层为均质的面心立方结构。
图3为实施例1-3的合金涂层涂覆前后304不锈钢的振动能对比，可以看出Mn-Cu基的合金涂层可以吸收304不锈钢的振动能，提升材料强度和抗振性。
因此，通过在各种机械构件表面制备本发明所述的锰铜基阻尼涂层，可以在保持基体强度的同时发挥Mn-Cu合金的阻尼减振性能，达到材料强度和减振性能的协同提升。
以上仅为本发明的较佳实用例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，该阻尼涂层由以下质量百分比的粉末原料混合组成：Cu 20~75％，Ni 1~2％，Al 0~1.5％，La 0~0.5％，其余为Mn，所述阻尼涂层厚度为50~100 μm，所述Al和La的添加量均不为0；
所述阻尼涂层的制备方法包括以下步骤：
S1. 将所需质量百分比的Cu、Ni、Al、La和Mn粉体混合，经过喷雾干燥二次造粒后得到粒径为10~60 μm的Mn-Cu复合粉体；
S2. 以氩气为喷涂主气、氢气为辅气，在真空环境下利用等离子体喷涂法将Mn-Cu复合粉体喷涂至待涂层的基体上；喷涂工艺参数为：电弧电压60~70V，电弧电流400~600A，氩气流量为40~50L/min，氢气流量为4~7L/min，Mn-Cu复合粉体的送粉速率为15~30g/min，喷涂距离为100~120 mm，喷涂时间为10~120min；
S3. 喷涂结束后，将喷涂有Mn-Cu复合粉体的基体进行热处理，真空冷却后即获得Mn-Cu基阻尼涂层。
2.如权利要求1所述的一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，所述Cu、Ni、Al、La和Mn粉体的平均粒度为50~200nm。
3.如权利要求1所述的一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，所述步骤S2中等离子体喷涂法采用内送粉工艺。
4.如权利要求1所述的一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，所述步骤S3中的热处理具体为，温度300~500℃，保温时间50~180min，升温速率5~20℃/min。
5.如权利要求1所述的一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，所述Mn-Cu复合粉体喷涂前，还包括对基体进行预处理步骤，所述预处理包括喷砂和表面清洗，所述喷砂为使用喷砂机对基体表面喷砂到表面粗超度达到Ra3。
6.如权利要求1所述的一种锰铜基阻尼涂层，其特征在于，所述基体为无氧铜、铜合金、钛合金、镁铝合金、钢、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷中的任意一种。
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| GR01 | Patent grant | ||
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