TiNiCu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法與流程
2023-05-27 21:21:36 2
本發明的技術方案涉及阻尼材料的製造，具體地說是tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法。
背景技術：
隨著社會的發展，機械設備趨於高速、高效和自動化，隨之引起的振動、噪聲和疲勞斷裂問題亦越來越突出。振動和噪聲限制機械設備性能的提高，嚴重破壞機械設備運行的穩定性和可靠性，並汙染環境，危害人們的身心健康，因此減振降噪，改善人機工作環境是一個亟待解決的關鍵問題。為此，人們研究並開發出了多種解決工程中振動和噪聲問題的方法和技術措施，其中阻尼技術是控制結構共振和噪聲的最有效的方法。阻尼材料的開發就是從材料角度實現上述功能的重要措施之一。
由cu原子部分替代近等原子比niti合金中的ni原子而製成的tinicu合金是一類綜合性能優異的新型的形狀記憶合金。與niti合金相比，該類合金除同樣具有優良的形狀記憶效應及阻尼性能外，更具有穩定的馬氏體轉變溫度、高的抗腐蝕性能、強的抑制ni4ti3相析出的能力以及低的生產成本。該類合金未來的應用領域將極其廣泛，包括電子、機械、宇航、運輸、建築、化學、醫療、能源、家電以及日常生活用品等，幾乎涉及產業界的所有領域。
由於現代工業的發展是以構件設計輕量化、高強度化、運行高速化為特點，因此為拓寬使用範圍，高阻尼材料還必須兼有低的密度和高的力學性能。文獻(hongjiejiang,changboke,shanshancao,etal.phasetransformationanddampingbehavioroflightweightporousniticualloysfabricatedbypowdermetallurgyprocess,trans.nonferrousmet.soc.china,2013,23:2029-2036)披露了一種多孔tinicu形狀記憶合金的製備方法，其利用孔洞效應成功實現了材料的輕量化及高阻尼化。然而，利用該文獻所披露的工藝製得的多孔niticu形狀記憶合金的孔隙率、孔徑、孔型均難以精確控制，且孔隙的存在會嚴重削弱niticu形狀記憶合金的力學性能，即難以滿足上述高強度化的需求。因此，在多孔形狀記憶合金的孔洞中填充第二相以提高其力學性能，是發展綜合性能優異的高阻尼材料的必由之路。cn102808101a披露了多孔銅基形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法，是一種在多孔cu基形狀記憶合金中填充高分子的方法，利用該方法進一步提高了多孔形狀記憶合金的阻尼性能，同時亦在一定程度上克服了多孔形狀記憶合金在外加載荷下易在孔壁邊緣產生應力集中或微裂紋的缺點，然而由於高分子材料的力學性能本身較差，其對上述多孔cu基形狀記憶合金力學性能的提高仍然有限。cn101407867a披露了一種向多孔niti合金中引入mg或mg合金的方法，其製得的產品比普通多孔niti合金具有更高的強度與阻尼能力。然而直接採用cn101407867a所披露的方法並不能實現mg對tinicu合金的填充，因為tinicu合金與niti合金在性質上並不相同，tinicu合金中的cu相在高溫下極易與mg反應，若直接採用cn101407867a的方法，所得複合體系由於cu與mg間的過量反應，填充相及基體相均會遭到嚴重破壞而不可能形成實用的材料。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法，通過製備多孔tinicu形狀記憶合金並在其孔洞中填充金屬mg製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu，克服了現有的多孔tinicu形狀記憶合金製備方法中孔隙率和孔徑及孔型均難以控制、現有的將mg引入多孔合金中的技術不可用於mg對多孔tinicu合金的填充、以及合金產品的阻尼性能及其他力學性能尚需提高的缺陷。
本發明解決該技術問題所採用的技術方案是：tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法，通過製備多孔tinicu形狀記憶合金並在其孔洞中填充金屬mg製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu，具體步驟如下：
第一步，原料的配置：
稱取需要量的鈦粉、鎳粉和銅粉，按照ni、ti、cu原子百分比分別為29～31％、50％、19～21％進行配料混合，然後將混合粉置於不鏽鋼球磨罐中，注滿無水乙醇後密封，在行星式球磨機上球磨5～7小時，球磨中採用的球料比為10∶1，球磨機的轉速為300轉/分鐘，之後，將球磨好的tinicu混合粉取出並置於濾紙上靜置3～5分鐘，完成原料的配置，待用；
第二步，多孔tinicu形狀記憶合金的製備：
將第一步配置的tinicu混合粉與平均粒徑為0.4～1.0mm的去結晶水nacl顆粒均勻混合，去結晶水nacl顆粒的用量為其佔混合粉與去結晶水nacl顆粒混合物的體積百分比的60～80％，將該混合物在混料機中混合30～60min後裝入內壁塗覆硬脂酸鋅的不鏽鋼模具中，單向加壓300～360mpa製得生坯，之後將該生坯裝入氧化鋁坩堝，並置於管式真空燒結爐中，待爐內真空抽至5～10pa後，以4～8℃/分鐘的速率加熱至770～790℃，保溫1～2小時後，再以8～15℃/分鐘的速率加熱至940～1000℃，保溫2～3小時後隨爐冷卻至室溫，將燒結體從爐內取出，置於超聲波水浴中清洗20～30分鐘後烘乾，製得多孔tinicu形狀記憶合金成品；
第三步，tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品的製備：
將第二步製備得的多孔tinicu形狀記憶合金成品切去上下表層後置於丙酮中，超聲清洗50～60分鐘，烘乾，然後取同等體積的塊狀純mg置於其頂部，用氧化鋁陶瓷片分別於上下兩面夾持後再用mo絲整體捆綁，然後將此整體捆綁的體系裝入氧化鋁坩堝，並將該坩堝置於管式真空燒結爐的爐管中，待爐內真空抽至5pa後充入高純氬氣然後再次將真空抽至5pa，如此操作重複2～4次後以4～8℃/分鐘的速率加熱至675～710℃，保溫18～22分鐘，使純mg熔融並滲入多孔tinicu形狀記憶合金的孔隙之中，然後將爐管移出管式真空燒結爐的爐膛，冷卻至室溫，由此製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu成品。
上述tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法，所述製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品中純mg的體積分數為60～80％，純mg粒徑為0.4～1.0mm。
上述tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的製備方法，其中所用原料均為商購獲得，工藝和設備均為本技術領域公知的。
本發明的有益效果是：與現有技術相比，本發明具有的突出的實質性特點和顯著進步如下：
(1)本發明與現有技術cn101407867a相比，具有突出的實質性的特點是：首先兩者的基體材料並不相同。現有技術cn101407867a所採用的基體為多孔niti合金，其孔隙率為20～40％。而本發明所採用的基體材料為多孔tinicu合金，其孔隙率為60～80％，且由於兩者孔的形成機理不同，所以孔徑及孔型亦完全不同，從而高溫下mg熔體滲入過程並不相同；其次，兩者工藝條件不同。本發明中為了避免cu與mg的過量反應而專門針對多孔tinicu合金的更大的孔隙率、更寬的滲入通道等結構特徵通過大量艱苦實驗而採用了較低的熔滲溫度、顯著縮短的熔滲時間，同時熔滲後為了能夠使得mg儘快冷凝而創造性的將該體系通過爐管整體抽出爐膛進行冷卻，並採用了對熔滲及避免反應更有利的真空環境。因此，本發明所用mg的熔滲技術是本發明人針對不同的原材料而專門設計的工藝方法，絕非可以通過有限的實驗就可輕而易舉實現的，具有創造性；再次，本發明所製得的mg/tinicu較之cn101407867a技術所製得材料具有更高的阻尼性能，這說明本發明由於採用了實質改進的全新工藝條件，比cn101407867a有了顯著的進步。
(2)本發明將tinicu形狀記憶合金多孔化並進一步與具有優良阻尼能力且密度較低的純mg複合，利用孔洞效應及多重阻尼源高效疊加的原理顯著提高了tinicu形狀記憶合金的阻尼能力、降低了tinicu形狀記憶合金的密度。同時，金屬mg填充於多孔tinicu形狀記憶合金的孔洞之中，可有效彌補孔隙的存在對tinicu形狀記憶合金力學性能的削弱作用，從而使得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料保持了優良的力學性能。因而，本發明所製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料可以滿足現代工業發展對於輕質、高強和高阻尼材料應用的需求。
(3)本發明採用純mg對多孔tinicu形狀記憶合金進行填充，可顯著降低多孔tinicu形狀記憶合金與空氣的接觸面積，從而有效提高了其抗腐蝕性能。與高分子填充多孔形狀記憶合金材料相比，本發明製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料除了具有更高的力學性能外，同時有著更寬的工作溫度範圍。
(4)本發明利用nacl為造孔劑所製得的多孔tinicu形狀記憶合金的孔隙率、孔徑、孔型均可控，從而可以彌補現有多孔tinicu形狀記憶合金製備工藝的不足。
(5)本發明採用的低溫和短時熔滲，以及熔滲後的快速冷卻工藝可有效降低mg2cu相的生成量，從而保證了tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料優良的綜合性能。
(6)本發明工藝適應性好、成本低、無汙染和操作簡單，易於實現規模化生產。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為實施例3製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的掃描電鏡照片；
圖2為dsc分析曲線，其中：
圖2(a)為實施例2製備的多孔tinicu形狀記憶合金的dsc分析曲線；
圖2(b)為實施例3製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的dsc分析曲線；
圖3為實施例2製備的多孔tinicu形狀記憶合金及實施例3製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的準靜態壓縮應力-應變曲線。
具體實施方式
實施例1
第一步，原料的配置：
稱取需要量的鈦粉、鎳粉和銅粉，按照ni、ti、cu原子百分比分別為29％、50％、21％進行配料混合，然後將混合粉置於不鏽鋼球磨罐中，注滿無水乙醇後密封，在行星式球磨機上球磨5小時，球磨中採用的球料比為10∶1，球磨機的轉速為300轉/分鐘，之後，將球磨好的tinicu混合粉取出並置於濾紙上靜置3分鐘，完成原料的配置，待用；
第二步，多孔tinicu形狀記憶合金的製備：
將第一步製得的混合粉與平均粒徑為0.4mm的去結晶水nacl顆粒均勻混合，去結晶水nacl顆粒的用量為其佔混合粉與去結晶水nacl顆粒混合物體積百分比的60％，將該混合物在混料機中混合30min後裝入內壁塗覆硬脂酸鋅的不鏽鋼模具中，單向加壓300mpa製得生坯，之後將生坯裝入氧化鋁坩堝，並置於管式真空燒結爐中，待爐內真空抽至5pa後，以4℃/分鐘的速率加熱至770℃，保溫1小時後再以8℃/分鐘的速率加熱至940℃，保溫2小時後隨爐冷卻至室溫，將燒結體於爐內取出並置於超聲波水浴中清洗20分鐘後烘乾，製得多孔tinicu形狀記憶合金成品；
第三步，tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品的製備：
將第二步製備得的多孔tinicu形狀記憶合金成品切去上下表層後置於丙酮中，超聲清洗50分鐘，烘乾，然後取同等體積的塊狀純mg置於其頂部，用氧化鋁陶瓷片分別於上下兩面夾持後再用mo絲整體捆綁，然後將此整體捆綁的體系裝入氧化鋁坩堝，並將該坩堝置於管式真空燒結爐的爐管中，待爐內真空抽至5pa後充入高純氬氣然後再次將真空抽至5pa，如此操作重複2次後以4℃/分鐘的速率加熱至675℃，保溫18分鐘，使純mg熔融並滲入多孔tinicu形狀記憶合金的孔隙之中，然後將爐管移出管式真空燒結爐的爐膛，冷卻至室溫，由此製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品，所製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品中純mg的體積分數為60％，純mg粒徑為0.4mm。
實施例2
本實施例是實施例3的對比實施例。
第一步，原料的配置
稱取需要量的鈦粉、鎳粉和銅粉，按照ni、ti、cu原子百分比分別為30％、50％、20％進行配料，然後將混合粉置於不鏽鋼球磨罐中，注滿無水乙醇後密封，在行星式球磨機上球磨6小時，球磨中採用的球料比為10∶1，球磨機的轉速為300轉/分鐘，之後，將混合粉取出並置於濾紙上靜置4分鐘，待用；
第二步，多孔tinicu形狀記憶合金的製備：
將第一步製得的混合粉與平均粒徑為0.8mm的去結晶水nacl顆粒均勻混合，去結晶水nacl顆粒的用量為其佔混合粉與去結晶水nacl顆粒混合物體積百分比的70％，將該混合物在混料機中混合40min後裝入內壁塗覆硬脂酸鋅的不鏽鋼模具中，單向加壓350mpa製得生坯，之後將生坯裝入氧化鋁坩堝，並置於管式真空燒結爐中，待爐內真空抽至8pa後，以5℃/分鐘的速率加熱至780℃，保溫1小時後再以10℃/分鐘的速率加熱至950℃，保溫2小時後隨爐冷卻至室溫，將燒結體於爐內取出並置於超聲波水浴中清洗25分鐘後烘乾，製備得多孔tinicu形狀記憶合金成品。
實施例3
第一步、第二步同實施例2；
第三步，tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品的製備：
將第二步製備得的多孔tinicu形狀記憶合金成品切去上下表層後置於丙酮中，超聲清洗50分鐘，烘乾，然後取同等體積的塊狀純mg置於其頂部，用氧化鋁陶瓷片分別於上下兩面夾持後再用mo絲整體捆綁，然後將此整體捆綁的體系裝入氧化鋁坩堝，並將該坩堝置於管式真空燒結爐的爐管中，待爐內真空抽至5pa後充入高純氬氣然後再次將真空抽至5pa，如此操作重複3次後以5℃/分鐘的速率加熱至700℃，保溫20分鐘，使純mg熔融並滲入多孔tinicu形狀記憶合金的孔隙之中，然後將爐管移出管式真空燒結爐的爐膛，冷卻至室溫，由此製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品，所製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品中純mg的體積分數為70％，純mg粒徑為0.8mm。
圖1為實施例3製備的在其孔洞中填充金屬mg的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu的掃描電鏡照片。由圖1可見，完全填充的金屬mg複製了造孔劑nacl顆粒狀的形貌，其在tinicu形狀記憶合金基體中分布得十分均勻，且相互之間具有連通性。由圖1同時可以看出，由於本發明採用了低溫、高速熔滲及熔滲後迅速冷卻的工藝，在mg中只形成了微量的網狀mg2cu相，有效彌補了孔隙的存在對tinicu形狀記憶合金力學性能的削弱作用，從而使得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料保持了優良的力學性能。
圖2為dsc分析曲線，其中，圖2(a)為實施例2製備的多孔tinicu形狀記憶合金的dsc分析曲線，而圖2(b)為實施例3製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu的dsc分析曲線。由兩圖比較可見，升、降溫過程中在dsc曲線上各出現了一個峰，其分別對應tinicu形狀記憶合金升、降溫過程中的逆、正馬氏體相變。對比圖2(a)和圖2(b)看出，mg填充後除了兩峰均輕微向高溫方向移動以外，峰高及峰的面積均變化不大，這說明與mg複合後，tinicu形狀記憶合金的馬氏體相變過程並未受到明顯的抑制，從而保證了其仍會具有優良的形狀記憶及高阻尼特性。tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu的相變區間恰好處在室溫附近，鑑於實際生產中常用的工作溫度範圍，這對於本發明製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料的推廣使用十分有利。
圖3為實施例2製備的多孔tinicu形狀記憶合金及實施例3製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu的準靜態壓縮應力-應變曲線。由圖3可見，較之多孔tinicu形狀記憶合金，tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu的壓縮力學性能得到了顯著提高。而從表1列出的實施例2製得的多孔tinicu形狀記憶合金成品及實施例3製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品即mg/tinicu的阻尼值的對比可以看出，較之多孔tinicu形狀記憶合金在從-20℃至100℃這一寬的溫度範圍內，mg/tinicu都表現出了顯著提高的阻尼本領，這充分說明本發明製備的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料即mg/tinicu具有了輕質、高強、高阻尼的優良的綜合性能。
表1.實施例2製得的多孔tinicu成品與實施例3製得的mg/tinicu的阻尼值的對比
實施例4
第一步，原料的配置
稱取需要量的鈦粉、鎳粉和銅粉，按照ni、ti、cu原子百分比分別為31％、50％、19％進行配料，然後將混合粉置於不鏽鋼球磨罐中，注滿無水乙醇後密封，在行星式球磨機上球磨7小時，球磨中採用的球料比為10∶1，球磨機的轉速為300轉/分鐘，之後，將混合粉取出並置於濾紙上靜置5分鐘，待用；
第二步，多孔tinicu形狀記憶合金的製備：
將第一步製得的混合粉與平均粒徑為1.0mm的去結晶水nacl顆粒均勻混合，去結晶水nacl顆粒的用量為其佔混合粉與去結晶水nacl顆粒混合物體積百分比的80％，將該混合物在混料機中混合60min後裝入內壁塗覆硬脂酸鋅的不鏽鋼模具中，單向加壓360mpa製得生坯，之後將生坯裝入氧化鋁坩堝，並置於管式真空燒結爐中，待爐內真空抽至10pa後，以8℃/分鐘的速率加熱至790℃，保溫2小時後再以15℃/分鐘的速率加熱至1000℃，保溫3小時後隨爐冷卻至室溫，將燒結體於爐內取出並置於超聲波水浴中清洗30分鐘後烘乾，製得多孔tinicu形狀記憶合金成品；
第三步，tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品的製備：
將第二步製備得的多孔tinicu形狀記憶合金成品切去上下表層後置於丙酮中，超聲清洗60分鐘，烘乾，然後取同等體積的塊狀純mg置於其頂部，用氧化鋁陶瓷片分別於上下兩面夾持後再用mo絲整體捆綁，然後將此整體捆綁的體系裝入氧化鋁坩堝，並將該坩堝置於管式真空燒結爐的爐管中，待爐內真空抽至5pa後充入高純氬氣然後再次將真空抽至5pa，如此重複4次後以8℃/分鐘的速率加熱至710℃，保溫22分鐘，使純mg熔融並滲入多孔tinicu形狀記憶合金的孔隙之中，然後將爐管移出管式真空燒結爐的爐膛，冷卻至室溫，由此製得tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品，所製得的tinicu形狀記憶合金基阻尼複合材料成品中純mg的體積分數為80％，純mg粒徑為1.0mm。
上述實施例中所用原料均為商購獲得，工藝和設備均為本技術領域公知的。