一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金的製作方法
2023-05-22 13:43:26
一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金的製作方法
【專利摘要】一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，其特徵為：將原材料按Zn25-26wt%、Al3.5-4wt%、複合添加劑0.2-1.0wt%、餘量是Cu的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。待材料全部熔化後，升溫至1280-1300℃澆注成直徑為φ80×150mm的鑄錠。經過退火、鍛打、軋製成寬200mm、厚0.35mm、長度不限的片材。最後進行熱處理：即830-850℃保溫2小時淬入室溫機油中，然後放入沸水中保溫0.5小時後取出空冷至室溫。製作耗能器所用的片狀銅鋅鋁形狀記憶合金尺寸為：900mm×2.24mm×0.35mm，對其製備的兩層框架結構耗能器進行振動耗能性能測試。
【專利說明】一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金
【技術領域】
[0001] 本發明屬於銅基形狀記憶合金製備【技術領域】，特指一種用於製備兩層框架結構耗 能器的銅鋅鋁形狀記憶合金。
【背景技術】
[0002] 耗能器是在結構中設置的專門耗能裝置或元件，利用耗能裝置或耗能元件來消耗 振動輸入結構中的能量，以減少主體結構的振動反應，從而減輕結構在振動中的破壞，達到 抗震減振的目的。耗能裝置或耗能元件的耗能性能的好壞直接決定著結構的抗振減震效 果。而要成為高效、經濟、可靠實用的耗能器，必須滿足如下條件：（1)具有良好的吸收振動 能量的能力；（2)具有良好的變形跟蹤能力；（3)具有足夠的初始剛度；（4)具有優良的耐 久性，能長期保其初始性能；（5)結構簡單，施工方便，價格低廉。而目前所用的耗能器主要 是由軟鋼製作，該類耗能器具有較好的耗能能力和變形跟蹤能力，且結構簡單、安裝方便等 優點，但卻具有不能反覆使用等缺點。而形狀記憶合金由於具有形狀記憶效應，相變超彈性 和高阻尼等很多普通金屬所沒有的特殊性能，使得其在結構控制應用中的研究備受親睞。 形狀記憶合金用於結構振動控制具有很多優勢：（1)由於形狀記憶合金是集"感知"與"驅 動"於一體的新型功能材料，從而可以實現控制系統的微型化；（2)採用馬氏體狀態合金制 作的耗能器不受溫度以外的其他環境條件影響，可以在一些特殊的場合下使用；（3)與普 通耗能器相比，形狀記憶合金耗能器可以多次反覆使用。當前有關形狀記憶合金耗能器的 研究主要集中於NiTi合金上，NiTi合金昂貴的價格、複雜的熔煉工藝，且形狀比較單一，主 要以絲狀為主，嚴重地限制了它在民用建築結構的中推廣使用。因而研製價格低廉、多種形 狀的CuZnAl合金耗能器勢在必行。
[0003] 本發明開發出一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金。
【發明內容】
[0004] 本發明開發出一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，其特 徵為：以電解銅、鋅錠0號、工業鋁錠A00號、複合添加劑(其中：Ni8?12wt%、Ti8?12 wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb4 ?6wt%、 Nd4 ?6wt%、Pr2 ?4wt%、B2 ?4wt%、餘為Cu。）為原料，即Zn25_26wt%、A13. 5_4wt%、復 合添加劑0. 2-1.Owt%、餘量是Cu的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為：先 加入預熱過的電解銅、鋅錠、鋁錠、複合添加劑，熔化期間要加入合金重量〇. 2%的硼砂。待 材料全部熔化後，升溫至1280-1300°C澆注成直徑為（j5 80X150mm的鑄錠。退火處理是加熱 到820-840°C保溫24小時後隨爐冷卻，然後去除表面2-3mm的脫鋅層，將鑄錠在820-840°C 保溫2小時後鍛打成40X40mm的棒材，在800-650°C將棒材軋製成寬150mm、厚1mm、長度 不限的板材，再進行室溫下冷軋，最終軋製成寬200 _、厚0.35 _、長度不限的片材。最後 進行熱處理：油淬加時效，即830-850°C保溫2小時淬入室溫機油中，然後在預先準備好的 沸水中保溫〇. 5小時後取出空冷至室溫。
[0005] 兩層框架結構耗能器如圖1所示。用剪板機將銅鋅鋁形狀記憶合金片材進行加 工，製作耗能器所用的片狀銅鋅鋁形狀記憶合金尺寸為：900_X2. 24_X0. 35_，圖1中 框架為鋼結構，交叉線為銅鋅鋁形狀記憶合金，從而成為耗能器。框架結構振動時，單層內 以對角線兩端點的相對位移最大，在實際工程應用中，在此兩端點間安裝銅鋅鋁形狀記憶 合金，從而形成如圖1中所示的耗能器，4個立方塊為4個各20kg的質量塊。試驗中僅考慮 框架結構的一維振動，即只分析框架結構沿寬度方向振動時的振動衰減特性，為防止沿框 架結構厚度方向的振動，框架結構的厚度設計為350_，同時電阻應變片式傳感器粘貼在框 架底層立柱的根部(沿寬度方向粘貼)，用來監測框架沿其寬度方向的振動。利用電阻應變 片和YDS-1型動態數據採集分析儀測量空框架結構的振動衰減特性，未裝CuZnAl形狀記憶 合金耗能器的框架結構衰減曲線如圖2所示。試驗時，按圖1所示將合金耗能器裝在框架 上，在框架頂部沿框架寬度方向施加少量初位移，然後釋放讓框架振動至衰減結束，記錄其 振動曲線。當結構再次振動時，耗能器再次發揮作用，記錄每次重複振動的衰減曲線。
[0006]
【專利附圖】
【附圖說明】 圖1安裝銅鋅鋁形狀記憶合金的兩層框架結構耗能器示意圖（單位_) 圖2未裝銅鋅鋁形狀記憶合金的普通兩層鋼結構框架示意圖（單位mm) 圖3安裝鐵絲的兩層框架結構耗能器示意圖(單位mm) 圖4安裝銅鋅鋁形狀記憶合金兩層框架結構耗能器的振動衰減曲線與頻譜曲線 上是振動衰減曲線，下是與頻譜曲線 圖5未裝銅鋅鋁形狀記憶合金的普通兩層鋼結構框架振動衰減曲線與頻譜曲線 上是振動衰減曲線，下是與頻譜曲線 圖6安裝鐵絲的兩層框架結構耗能器振動1次的情況 圖7安裝鐵絲的兩層框架結構耗能器振動2次的情況 圖8安裝鐵絲的兩層框架結構耗能器振動5次的情況 圖9安裝銅鋅鋁形狀記憶合金的兩層框架結構耗能器振動1次的情況 圖10安裝銅鋅鋁形狀記憶合金的兩層框架結構耗能器振動5次的情況 圖11安裝銅鋅鋁形狀記憶合金的兩層框架結構耗能器振動10次的情況 圖6 -圖11給出了鐵絲和銅鋅鋁形狀記憶合金耗能器減振的衰減效果的比較。鐵絲 的前2次振動導致變形尚在其彈性範圍之內，所以能夠起到增加結構整體剛度，提高結構 阻尼，加速振動衰減的作用，但是到了第5次振動時，鐵絲"鬆弛"，超出彈性回復範圍發生 永久塑性變形。此時，在同樣的初始約束下，鐵絲不再能夠起到增加結構剛度的作用，也就 不再能夠減振。圖6-圖8示意了鐵絲耗能器經歷了數次循環的減振情況。而銅鋅鋁形狀 記憶合金耗能器使用多次以後，減振效果並未減退。因為該銅鋅鋁形狀記憶合金的相變點 為70°C。由於材料的相變點高於室溫，為擬塑性狀態，所以每次振動過後需要給材料加熱 再冷卻，進行正逆馬氏體相變各一次，以便於材料恢復馬氏體狀態彈性範圍以外的變形。很 明顯，銅鋅鋁形狀記憶合金材料的重複使用性很好，多次使用後仍然有良好的減振效果。圖 9 一 11示意了銅鋅鋁形狀記憶合金耗能器其循環使用1次、5次、10次以後良好的減振性 能。
[0007]
【具體實施方式】 實施例1 以電解銅、鋅錠0號、工業鋁錠A00號、複合添加劑(其中：Ni8?12wt%、Ti8?12wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb4 ?6wt%、 Nd4 ?6wt%、Pr2 ?4wt%、B2 ?4wt%、餘為Cu。）為原料，即Zn25_26wt%、A13. 5_4wt%、復 合添加劑0. 2-1.Owt%、餘量是Cu的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉。熔煉工藝為：先 加入預熱過的電解銅、鋅錠、鋁錠、複合添加劑，熔化期間要加入合金重量〇. 2%的硼砂。待 材料全部熔化後，升溫至1280-1300°C澆注成直徑為（j5 80X150mm的鑄錠。退火處理是加熱 到820-840°C保溫24小時後隨爐冷卻，然後去除表面2-3mm的脫鋅層，將鑄錠在820-840°C 保溫2小時後鍛打成40X40mm的棒材，在800-650°C將棒材軋製成寬150mm、厚1mm、長 度不限的板材，再進行室溫下冷軋，最終軋製成寬200 _、厚0.35_、長度不限的片材。最 後進行熱處理：油淬加時效，即830-850°C保溫2小時淬入室溫機油中，然後在預先準備好 的沸水中保溫0.5小時後取出空冷至室溫。兩層框架結構耗能器如圖1所示。用剪板機將 銅鋅鋁形狀記憶合金片材進行加工，製作耗能器所用的片狀銅鋅鋁形狀記憶合金尺寸為： 900_X2. 24_X0. 3_，圖1中框架為鋼結構，交叉線為銅鋅錯形狀記憶合金，從而成為銅 鋅鋁形狀記憶合金耗能器。框架結構振動時，單層內以對角線兩端點的相對位移最大，在實 際工程應用中，在此兩端點間安裝銅鋅鋁形狀記憶合金，從而形成如圖1中所示的耗能器， 4個立方塊為4個各20kg的質量塊。試驗中僅考慮框架結構的一維振動，即只分析框架結 構沿寬度方向振動時的振動衰減特性，為防止沿框架結構厚度方向的振動，框架結構的厚 度設計為350mm，同時電阻應變片式傳感器粘貼在框架底層立柱的根部(沿寬度方向粘貼)， 用來監測框架沿其寬度方向的振動。利用電阻應變片和YDS-1型動態數據採集分析儀測量 空框架結構的振動衰減特性。試驗時，按圖1所示將銅鋅鋁形狀記憶合金裝在框架上形成 耗能器，在框架頂部沿框架寬度方向施加少量初位移，然後釋放讓框架振動至衰減結束，其 結果如圖4所示，從圖4中看出衰減速度很快，並見表1。同時記錄1次至10次振動的情 況。
[0008] 對比例1 圖2中未裝銅鋅鋁形狀記憶合金的普通兩層鋼結構框架，框架結構振動時，單層內以 對角線兩端點的相對位移最大，在實際工程應用中，4個立方塊為4個各20kg的質量塊。試 驗中僅考慮框架結構的一維振動，即只分析框架結構沿寬度方向振動時的振動衰減特性， 為防止沿框架結構厚度方向的振動，框架結構的厚度設計為350_，同時電阻應變片式傳感 器粘貼在框架底層立柱的根部(沿寬度方向粘貼)，用來監測框架沿其寬度方向的振動。利 用電阻應變片和YDS-1型動態數據採集分析儀測量空框架結構的振動衰減特性。試驗時， 在框架頂部沿框架寬度方向施加少量初位移，然後釋放讓框架振動至衰減結束，其結果如 圖5所示，從圖5中看出衰減速度很慢，並見表1。
[0009] 對比例2 圖3中框架為鋼結構，交叉線為鐵絲，鐵絲尺寸為（MmmX900mm(這樣截面積與銅鋅鋁 形狀記憶合金基本相同)，從而成為普通鐵絲耗能器。框架結構振動時，單層內以對角線兩 端點的相對位移最大，在實際工程應用中，在此兩端點間安裝鐵絲，從而形成耗能器，4個立 方塊為4個各20kg的質量塊。試驗中僅考慮框架結構的一維振動，即只分析框架結構沿寬 度方向振動時的振動衰減特性，為防止沿框架結構厚度方向的振動，框架結構的厚度設計 為350mm，同時電阻應變片式傳感器粘貼在框架底層立柱的根部(沿寬度方向粘貼)，用來監 測框架沿其寬度方向的振動。利用電阻應變片和YDS-1型動態數據採集分析儀測量空框架 結構的振動衰減特性。試驗時，按圖1所示將安裝鐵絲的兩層框架結構耗能器，在框架頂部 沿框架寬度方向施加少量初位移，然後釋放讓框架振動至衰減結束。
[0010] 表1未裝和安裝銅鋅鋁形狀記憶合金耗能器框架振動的對比
【權利要求】
1. 一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，其特徵為：以電解銅、 鋅錠0號、工業鋁錠A00號、複合添加劑：Ni8?12 wt%、Ti8?12 wt%、Ce7?10wt%、 La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb 4 ?6wt%、Nd 4 ?6wt%、Pr 2 ? 4wt%、B2 ?4wt%、餘為 Cu ;為原料，即 Zn25-26wt%、A13. 5-4wt%、複合添加劑 0? 2-1. Owt%、 餘量是Cu的比例稱重後在中頻感應熔煉爐中熔煉；熔煉工藝為：先加入預熱過的電解銅、 鋅錠、鋁錠、複合添加劑，熔化期間要加入合金重量〇. 2%的硼砂；待材料全部熔化後，升溫 至1280-1300°C澆注成直徑為（t80X 150mm的鑄錠；退火處理是加熱到820-840°C保溫24 小時後隨爐冷卻，然後去除表面2-3mm的脫鋅層，將鑄錠在820-840°C保溫2小時後鍛打成 40X40mm的棒材，在800_650°C將棒材乳製成寬150 mm、厚1 mm、長度不限的板材，再進行 室溫下冷軋，最終軋製成寬200 mm、厚0.3 5mm、長度不限的片材；最後進行熱處理：油淬加 時效，即830-850°C保溫2小時淬入室溫機油中，然後在預先準備好的沸水中保溫0. 5小時 後取出空冷至室溫；做成兩層框架結構耗能器，用剪板機將銅鋅鋁形狀記憶合金片材進行 加工，製作耗能器所用的片狀銅鋅鋁形狀記憶合金尺寸為：900mmX2. 24mmX0. 35mm，框架 為鋼結構，交叉線為銅鋅鋁形狀記憶合金，從而成為耗能器；框架結構振動時，單層內以對 角線兩端點的相對位移最大，在實際工程應用中，在此兩端點間安裝銅鋅鋁形狀記憶合金 形成交叉線，從而製成耗能器，4個立方塊為4個各20kg的質量塊；試驗中僅考慮框架結構 的一維振動，即只分析框架結構沿寬度方向振動時的振動衰減特性，為防止沿框架結構厚 度方向的振動，框架結構的厚度設計為350_，同時電阻應變片式傳感器粘貼在框架底層立 柱的根部，沿寬度方向粘貼，用來監測框架沿其寬度方向的振動；利用電阻應變片和YDS-1 型動態數據採集分析儀測量空框架結構的振動衰減特性。
2. 根據權利要求1所述一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，成 分為Zn25-26wt%、A13. 5-4wt%、複合添加劑0? 2-1. Owt%、餘量是Cu時，該記憶合金耗能效果 顯著、耗能效果穩定，能有效提高耗能器的使用壽命。
3. 根據權利要求1所述一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，復 合添加劑為 Ni8 ?12 wt%、Ti8 ?12 wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、 Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb 4 ?6wt%、Nd 4 ?6wt%、Pr 2 ?4wt%、B2 ?4wt%、餘為 Cu時，製作的銅鋅鋁形狀記憶合金耗能效果顯著、耗能效果穩定，能有效提高耗能器的使用 壽命。
4. 根據權利要求1所述一種用於製備兩層框架結構耗能器的銅鋅鋁形狀記憶合金，油 淬加時效，即830-850°C保溫2小時淬入室溫機油中，然後在預先準備好的沸水中保溫0. 5 小時後取出空冷至室溫，該記憶合金耗能效果顯著、耗能效果穩定，能有效提高耗能器的使 用壽命。
【文檔編號】C22C9/04GK104342576SQ201310333966
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月4日 優先權日:2013年8月4日
【發明者】李曉薇, 劉光磊, 張志敏, 楊嵩, 齊克堯 申請人:鎮江憶諾唯記憶合金有限公司