CN1536097A - 一种高阻尼形状记忆合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阻尼材料，具体地说是一种高阻尼形状记忆合金，其特征在于在原形状记忆合金Ti－Ni－Cu中含有微量的稀土元素Y，Y的含量为0.01－5at％。本发明高阻尼合金通过调整组元Cu和Y的含量可提高和控制合金的马氏体相转变温度，从而获得更宽工作温度范围的高阻尼合金。本发明高阻尼合金可采用真空感应熔炼方法或电弧法进行熔炼，直接制备出抗振零部件产品；本发明高阻尼形状记忆合金具有阻尼性能优、应用范围较宽、成本较低、以及耐摩擦磨损和耐腐蚀等优良的综合性能，并可作为高阻尼复合材料和智能材料等加以开发利用。
Description
技术领域：
本发明涉及阻尼材料，具体地说是一种新型高阻尼形状记忆合金。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，对振动、冲击和噪声的控制越来越重要。例如，对火箭、卫星失效的分析表明，约2/3的故障与振动和噪声有关。另外，振动和噪声也会污染环境，危害人们的身心健康。因此减振降噪技术及其相关材料的研究越来越受到人们的重视。
某些合金的阻尼性能比普通金属材料高出数十倍至几个数量级(常用金属材料的阻尼系数见表1)，用它们来制备机械设备或仪器构件，可以从震源和噪声源入手，来达到减振降噪的目的。我们把那些阻尼系数SDC＞10％(或内耗Q-1＞10-2)的合金称为高阻尼合金。
在工程上采用高阻尼合金具有工艺简便，适用范围广等特点，是一种积极有效的阻尼技术。近年来国内外已经研制和生产了以镍、镁、铜、锌、铝、和铁等为基的多种高阻尼合金，并用于制造需要减振降噪的零部件，以达到提高机械工作精度、延长工作寿命、改善工作环境(减轻噪声公害)的目的，或用于声隐身以提高装备的安全性等。目前已在航空、航天、船舶、车辆及机械制造等国防和民用工业中得到了广泛应用。如在民用工业中用于汽车发动机缸盖，皮带轮等；在军事国防工业中广泛应用于导弹、卫星、飞机、舰船、坦克等现代化的系统中；在航天工业上已用于惯性平台外壳、陆地卫星PSM继电器板、设备支架等；在航空工业上已用于涡轮喷气发动机的进气导向叶轮、喷气发动机风扇叶片、超高频天线、遥控罗盘传感器和机舱内的噪声控制等；在船舶工业上可以实现消声处理，用于水翼船的水翼减噪、制造潜艇的螺旋桨以及舰艇底板、隔板、座椅的降噪等。
表1 常用金属材料的阻尼系数
青 铜 奥氏体 铁素体
金属材料 中碳钢 低碳钢 球墨铸铁 灰口铸铁
黄 铜 不锈钢 不锈钢
阻尼系数 ＜0.2 1 4 1 3 2 6
(％)
形状记忆合金是利用应力或温度诱发热弹性马氏体相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。自从上世纪60年代以来。形状记忆合金，特别是近等原子比的TiNi和TiNi基合金，以其良好的形状记忆效应、超弹性、生物相容性，及较高的阻尼性能和耐磨性等优异的综合性能，引起了人们的广泛兴趣和关注，并在航空、航天、生物医学、建筑等行业获得了迅猛的发展。从阻尼机制来说，形状记忆合金属于孪(双)晶型，由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)的滞弹性迁移会吸收能量而具有很好的阻尼特性。而且在马氏体相变过程中，马氏体的成核和生长对振动的也会逐渐增加。另外，从阻尼技术的角度来说，形状记忆合金不仅可以作为被动阻尼材料来开发，还可以充分利用其独特的形状记忆效应和超弹性性能制备主动阻尼系统和设备。
但是，形状记忆合金作为阻尼材料使用时，必须处于马氏体状态，即合金的马氏体相变终了点应高于合金的工作温度；另外，与传统的高阻尼合金相比，TiNi形状记忆合金成本高，价格昂贵，而Cu-Zn-Al形状记忆合金的力学性能、加工性能和耐腐蚀性能等材料特性又远远不如TiNi形状记忆合金，这些都大大限制了它们作为阻尼合金的应用。因此，能否开发一种应用温度范围宽(即热弹性马氏体相转变温度高)、成本低、综合性能优良的高阻尼合金成为高阻尼形状记忆合金的研究热点。
发明内容：
本发明的目的是提供一种成本低、工作温度高、具有高阻尼特性的形状记忆合金。
本发明提供了一种高阻尼形状记忆合金，其特征在于在原Ti-Ni-Cu形状记忆合金中含有微量的Y。
本发明高阻尼形状记忆合金中，Y的加入量最好为0.01-5at％。其它元素的含量可以为Ti 48-52at％，Cu 5-30at％，余量为Ni。
本发明技术方案是这样实现的，首先根据所要制备的产品形状和大小制备模壳；然后按一定成分配比，取Ti、Ni、Cu、Y金属原料，采用传统的真空感应熔炼方法或电弧法进行熔炼，并在1400-1450℃直接浇铸成近终形产品尺寸和形状；最后进行热处理和机加工得到最终产品。
除了直接利用本发明合金制造需要抗振的零部件产品，如齿轮等，也可将本发明合金与一些高强度结构材料结合起来，采用溅射、铆焊或铸造等方法制备成各种高阻尼复合材料。这样不仅可以发挥传统材料及工艺的优势，更可充分发挥本发明合金良好的耐磨性和耐腐蚀性能，并从而降低产品总成本。另外，本发明合金也可作为智能/致动材料来使用。
与TiNi形状记忆合金和其它传统的高阻尼合金相比，本发明合金具有以下优点：
1、阻尼性能好
DMTA内耗实验表明(见附图1)：本发明Ti50Ni24Cu25Y合金在马氏体状态其内耗tgδ可达到0.02-0.03，而在发生马氏体相变过程中，其内耗值tgδ更可高达0.177(加热过程中)或0.216(冷却过程中)。
2、成本低
与TiNi形状记忆合金相比，本发明合金中Cu的加入，特别是高达25at％Cu的加入，可大大降低合金应用成本，其有显著的经济性。
3、工作温度高
本发明合金中稀土元素Y的添加可以提高TiNi基合金的热弹性马氏体相转变温度。如本发明合金的Ms温度比Ti49.5Ni50.5合金的Ms温度高出近90℃。另外，可通过调整元素Y的含量来调整热弹性马氏体相转变温度，从而满足特殊应用要求。
4、具有形状记忆合特性
本发明合金同时具有形状记忆效应和超弹性的特性。利用这个特点，可以根据实际情况来设计合金，从而更好地发挥其阻尼特性。本发明合金亦可作为智能/致动材料来使用。
5、优异的综合性能
本发明TiNiCuY合金还具有高的耐摩擦磨损和耐腐蚀性能，这是除TiNi系以外的高阻尼合金所不具备的。
附图说明：
图1为真空感应熔炼法制备的Ti50Ni24Cu25Y高阻尼形状记忆合金DMTA内耗曲线图
图2为真空感应熔炼法制备的Ti50Ni25Cu25高阻尼形状记忆合金DMTA内耗曲线图
图3为氩气保护磁控钨极熔铸(非自耗)电弧法制备的Ti50Ni(25-x)Cu25Yx高阻尼形状记忆合金DSC曲线图
具体实施方式：
实施例1
采用真空感应熔炼方法制备Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金。
1、将按原子比配好的海绵钛、电解镍和无氧铜放入真空感应炉中进行熔炼；
2、对于Ti50Ni24Cu25Y合金，在其出炉前1分钟时，把元素Y加入熔池内；
3、在1420-1450℃进行浇注，把熔融的Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金浇入到模壳或坩埚中；
4、待模壳或坩埚冷却后，即可将合金取出来；
5、根据需要，对合金进行必要的热处理和机加工，制备Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金产品或实验试样；
6、在Rheometric Scientific DSC SP型仪器上测量了Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金的热弹性马氏体相转变温度，DSC实验条件：升降温速率为10℃/min。实验结果见表2；
7、在Rheometric Scientific DMTA IV型仪器上测量了Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金的内耗。DMTA实验条件：频率为1Hz，应变为0.004％，升降温速率为5℃/min。合金的DMTA内耗曲线图见附图1和2。
表2 Ti50Ni24Cu25Y和Ti50Ni25Cu25合金热弹性马氏体相转变温度
Ms，℃ Mf，℃ MP，℃ As，℃ Af，℃ AP，℃
Ti50Ni24Cu25Y合金 81.2 67.8 75.3 79.4 89.8 84.3
Ti50Ni25Cu25合金 77.3 62.0 70.3 71.9 85.6 79.8
可见，与采用相同真空感应熔炼工艺制备的Ti50Ni25Cu25合金相比，本发明Ti50Ni24Cu25Y合金的热弹性马氏体相转变温度(Ms)提高了3.9℃；
另外，DMTA内耗结果表明(见附图1和附图2)：本发明Ti50Ni24Cu25Y合金在马氏体状态下，内耗tgδ可达到0.02-0.03，而在马氏体相变过程中，其内耗值tgδ更可高达0.177(加热过程中)或0.216(冷却过程中)。与Ti50Ni25Cu25合金的内耗值基本相当，甚至略高一些。
实施例2
采用氩气保护磁控钨极熔铸(非自耗)电弧炉方法制备Ti50Ni(25-x)Cu25Yx(x＝0、0.1、0.3、0.5、1和2)合金
1、将按原子比配好的工业纯钛、电解镍、无氧铜和元素Y放入氩气保护磁控钨极熔铸(非自耗)电弧炉的水冷铜坩埚中；
2、加热并加以磁力搅拌熔炼合金；
3、将合金反复熔炼3遍(或以上)，以保证合金成分的均匀性；
4、待坩埚冷却后，即可将合金锭取出来；
5、根据需要，对合金进行必要的熟处理和机加工，制备Ti50Ni(25-x)Cu25Yx合金产品或实验试样；
6、在Rheometric Scientific DSC SP型仪器上测量了Ti50Ni(25-x)Cu25Yx合金的热弹性马氏体相转变温度。DSC实验条件：升降温速率为10℃/min。实验结果见附图3。
与采用相同电弧法工艺制备的Ti50Ni25Cu25合金相比，本发明Ti50Ni(25-x)Cu25Yx系列合金的热弹性马氏体相转变温度(Ms)最高提高了约13℃。另外随着稀土元素Y含量的增加，转变温度也呈现有规律的下降，但直到元素Y含量为2at％时，其热弹性马氏体相转变温度仍高于Ti50Ni25Cu25合金的相转变温度。
Claims (3)
1、一种高阻尼形状记忆合金，其特征在于在原Ti-Ni-Cu形状记忆合金中含有微量的稀土元素Y。
2、按照权利要求1所述高阻尼形状记忆合金，其特征在于稀土元素Y的含量为0.01-5at％。
3、按照权利要求2所述高阻尼形状记忆合金，其特征在于其它元素含量为Ti 48-52at％，Cu 5-30at％，余量为Ni。
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