專利名稱：金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及阻尼技術(shù)，具體地說是一種金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對振動、沖擊、噪聲的控制日趨重要。例如，機械運行速度的提高要產(chǎn)生強烈的振動和噪聲，從而會干擾自控系統(tǒng)、降低儀表測量精度或引起疲勞損傷甚至疲勞破壞。因此減振降噪技術(shù)及其相關(guān)材料研究受到了普遍重視(文獻1吳人杰主編，復(fù)合材料，天津天津大學(xué)出版社，2000)。
在工業(yè)上一般采用以下方法控制振動和噪聲1)增加重量，提高構(gòu)件剛度，減小振動和振幅，即把機器整體做成非常結(jié)實笨重的剛體化結(jié)構(gòu)，但在多數(shù)情況下，特別是要求輕量化和高速旋轉(zhuǎn)的場合，上述作法是不可能實施的；2)抑制共振引起的大振幅的發(fā)生，避免共振的方法，只對單一頻率或只有一、二個振源的場合，才有明顯的效果。實際上的振源多具有寬的頻帶；3)安裝減振裝置(如空氣減振器等)，這必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化而受到各種限制；4)采用阻尼合金來制備振動件或吸音件來起到減振效果，但這項研究和應(yīng)用也面臨著高成本、阻尼效果有限或受其它因素(如溫度)影響較大等問題；5)采用多孔的吸聲材料，做成屏蔽罩，把振源包圍起來，也可達到阻止聲音泄露和傳播的目的，但當振源體積很大時，屏蔽難以實現(xiàn)?？傊鲜龇椒ㄔ诂F(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用都存在局限性(文獻2趙秦生，胡海南主編，新材料與新能源，北京輕工業(yè)出版社，1987)。
從材料的角度而言，隨著材料阻尼的增加，其剛度總會下降。這時，具有高強度、高剛度、高阻尼的復(fù)合材料是最佳選擇。目前，阻尼功能復(fù)合材料主要有聚合物基和金屬基阻尼功能復(fù)合材料以及金屬與聚合物疊層阻尼功能復(fù)合材料三種，其性能、工藝等方面的比較見表1。
表1 阻尼功能復(fù)合材料的分類及其工藝、性能的比較

多孔材料具有密度小、孔隙率高、比面積大的結(jié)構(gòu)特征，因而多孔材料具有高的阻尼性能，并在能量吸收的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。例如在汽車的防震系統(tǒng)采用多孔金屬制成的元件；另外可以通過選擇多孔材料的密度而使彈性模量在很大的范圍內(nèi)變化，這就可以協(xié)調(diào)多孔部件的共振頻率，用這種方法可抑制有害的振動(文獻3唐群、毛昌輝摘譯，多孔金屬，有色與稀有金屬國外動態(tài)，1994(21)1；文獻4許慶彥、陳玉勇、李慶春，多孔鋁合金的鑄造工藝研究，材料工程與工藝，1998(3)36)。但是大部分多孔材料在孔隙度大于50％時強度較低。相對普通致密態(tài)制品來說，其耐蝕性、機械性能、焊接性能較差。
另外，形狀記憶合金是利用應(yīng)力或溫度誘發(fā)相變的機理來實現(xiàn)形狀記憶功能的一類材料。由于形狀記憶合金中的熱彈性馬氏體相變的自協(xié)調(diào)和熱彈性馬氏體中形成的各種界面(孿晶面、相界面、變體界面)的滯彈性遷移，形狀記憶合金會吸收能量而具有很好的阻尼特性(文獻5楊大智主編，智能材料與智能系統(tǒng)，天津天津大學(xué)出版社，2000)。
目前，將多孔材料的良好阻尼性能與形狀記憶合金的熱彈性馬氏體相變所產(chǎn)生的阻尼效果有機結(jié)合起來、并包覆金屬防護層的阻尼復(fù)合材料未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種阻尼性能優(yōu)、密度小、力學(xué)性能好的金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明取形狀記憶合金原始粉末，先通過燃燒合成技術(shù)制備多孔形狀記憶合金，再用壓力鑄造工藝將金屬包覆在多孔形狀記憶合金基體上；具體工藝如下1.制備多孔形狀記憶合金1)取形狀記憶合金原始粉末，按近等原子比配置；2)將粉末均勻地混合，并制成具有35～65％原始孔隙度的坯料；3)將坯料置于加熱爐中，并在惰性氣體氣氛的保護下進行預(yù)熱；4)當坯料達到最小點火溫度、且低于700℃溫度時，采用外熱源點燃坯料的一端，燃燒波自發(fā)地蔓延到另一端，從而合成多孔形狀記憶合金；2.處理多孔形狀記憶合金1)將所述多孔形狀記憶合金機械加工成所需形狀(可以是棒狀、板狀、塊狀或其它不規(guī)則形狀)和尺寸；2)進行清洗；3.金屬包覆1)熔煉包覆用金屬合金；2)清理壓鑄模具，并噴刷涂料；3)將步驟2處理過的多孔形狀記憶合金放置在模具中；4)合模；5)將熔融的包覆用合金澆入壓鑄模中進行壓鑄；6)待壓鑄件凝固后，打開壓鑄模，取出鑄件，得具有致密外包金屬防護層的多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料。
本發(fā)明所述產(chǎn)品可進行鑄件的表面精處理打磨去除鑄件上的毛刺和飛邊；或者再經(jīng)過簡單的表面機械加工。
與傳統(tǒng)的多孔材料相比，采用本發(fā)明方法制備的金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料具有以下優(yōu)點1.阻尼性能好。本發(fā)明結(jié)合燃燒合成技術(shù)與壓力鑄造工藝來制備阻尼復(fù)合材料，將具有高阻尼特性的多孔材料與可發(fā)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金有機地結(jié)合起來，特別是在熱彈性馬氏體狀態(tài)下使用，可極大地提高材料的阻尼性能。
2.可焊接性的改善。在現(xiàn)有技術(shù)中，無論是非金屬多孔材料，還是金屬多孔材料都難與其它金屬零件進行焊接，這就限制了多孔材料的使用范圍。采用本發(fā)明將多孔材料表面包覆一層金屬外衣后，由于一定厚度的致密金屬的存在，進而可以與其它金屬件進行焊接；另外，這種阻尼復(fù)合材料的可焊性也使多孔材料不能做成很大的屏蔽材料的問題得到解決。
3.機械性能的提高。本發(fā)明使產(chǎn)品附有金屬外衣，與現(xiàn)有技術(shù)中單一多孔材料不能在劇烈摩擦條件下使用的情形相比，本發(fā)明制備的產(chǎn)品在具有良好的阻尼效果的同時，機械性能大大提高。由于摩擦力是作用在金屬外衣表面，就不會造成內(nèi)部多孔材料的崩潰，從而提高多孔材料的耐磨性。另外，相對于多孔材料而言，金屬外衣的存在彌補了多孔材料在強度、韌性等機械力學(xué)方面的弱點，使本發(fā)明阻尼復(fù)合材料具有很高的損壞容許限度。
4.改善了多孔材料的耐腐蝕性。現(xiàn)有技術(shù)中多孔材料的孔洞的存在使多孔材料極易吸附各種外來介質(zhì)，如油污、灰塵等，影響了多孔材料的使用。采用本發(fā)明將其加上金屬外衣后，可以有效地杜絕該類問題的發(fā)生。只要在外層金屬可以容忍的任何惡劣環(huán)境條件下，均可以使用本發(fā)明阻尼復(fù)合材料。另外，本發(fā)明制備的阻尼復(fù)合材料無老化失效問題。
5.提高耐高溫性能。由于現(xiàn)有技術(shù)中多孔材料的大量孔洞的存在，有時即使在低于其熔點的高溫下也會發(fā)生軟塌等問題，本發(fā)明的金屬外衣會避免這一問題，有效地提高多孔材料的使用溫度。而且，與其它應(yīng)用高分子聚合物基的阻尼復(fù)合材料相比，本發(fā)明阻尼復(fù)合材料的工作溫度優(yōu)點是相當明顯的。
6.密度小。與致密態(tài)金屬合金或復(fù)合材料相比，本發(fā)明阻尼復(fù)合材料具有低密度的優(yōu)勢。特別是本發(fā)明通過調(diào)整多孔材料的孔隙率以及多孔材料占復(fù)合材料中的比例，可進一步減輕本發(fā)明阻尼復(fù)合材料的質(zhì)量。
7.工藝簡單、易于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)化。由于燃燒合成技術(shù)和壓力鑄造工藝的特點，決定了本發(fā)明的生產(chǎn)，工藝簡單，易于實現(xiàn)，流程短、周期短、成本低，并易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，無環(huán)境污染、安全性較好。
8.具有廣泛的適用性。一方面，多孔材料的形狀和尺寸可以是多樣化的，根據(jù)產(chǎn)品的形狀大小、對產(chǎn)品阻尼特性的要求，本發(fā)明可以將多孔材料加工成棒狀、板狀、塊狀或是其它任何不規(guī)則形狀，并設(shè)計相應(yīng)的模具，通過壓力鑄造工藝實現(xiàn)多孔芯阻尼復(fù)合材料；而且，無論是包覆金屬的厚度、多孔材料的孔隙率，還是包覆金屬的材質(zhì)都是可以根據(jù)需要進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，即增加了產(chǎn)品的多樣性。另一方面，根據(jù)壓力鑄造工藝高壓、高速的特點，一般來說，只要多孔材料的熔點不低于金屬外衣的熔點或澆鑄溫度，那么，就可以采用壓力鑄造工藝來制備這種多孔芯阻尼復(fù)合材料。


圖1為本發(fā)明一個實施例采用燃燒合成法制備的多孔鎳鈦形狀記憶合金樣品的橫向和縱向宏觀照片，a為橫向截面圖；b為縱向截面圖。
圖2為本發(fā)明一個實施例燃燒合成法制備的多孔鎳鈦形狀記憶合金的孔隙形貌掃描電鏡照片。
圖3為本發(fā)明一個實施例燃燒合成法制備的多孔鎳鈦形狀記憶合金的X射線衍射圖譜。
圖4為本發(fā)明一個實施例多孔鎳鈦形狀記憶合金外包DA-01鑄造鋁合金的復(fù)合材料試樣件的橫截面示意圖。
圖5為本發(fā)明一個實施例多孔鎳鈦形狀記憶合金與外包壓鑄鋁合金界面處的金相照片。
圖6為本發(fā)明一個實施例多孔鎳鈦形狀記憶合金的差式掃描量熱法曲線圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例詳述本發(fā)明。
實施例1采用工業(yè)用純鎳粉(平均粒度為4μm)和鈦粉(平均粒度為44μm)，按等原子比配料；充分混合24小時后，制成原始孔隙度為(50±2)％的坯料，坯料尺寸為φ25×150mm2；在純度為99.99％的工業(yè)純氬氣氛的保護下，放入工業(yè)用電爐中預(yù)熱；當坯料的預(yù)熱溫度達到300℃時，采用通電加熱的鎢絲點燃坯料，一經(jīng)點燃，燃燒波則自發(fā)地蔓延下去，在30秒內(nèi)合成出多孔鎳鈦形狀記憶合金。
本實施例多孔鎳鈦形狀記憶合金孔隙分布均勻，具有三維連通的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)(如圖1和圖2所示)。在本實施例中，多孔鎳鈦形狀記憶合金的孔隙度為58％左右，平均孔隙尺寸為300μm左右，開孔率大于90％。所合成的多孔合金樣品的X射線衍射圖譜如圖3所示，表明合金中有TiNi奧氏體相(B2)、TiNi馬氏體相(B19’)、Ti2Ni相、TiNi3相，無純鈦和純鎳相，化合反應(yīng)完全。
然后，將燃燒合成好的多孔鎳鈦形狀記憶合金切割成如圖1(a)所示的φ22.5mm的圓柱體坯料，經(jīng)超聲振蕩洗滌、晾干；熔煉包覆用鋁合金；清理壓鑄模具，并噴刷涂料；將多孔坯料放入處理好的壓鑄模中，合模；將熔融鋁合金澆入J1112B，1250KN臥式冷室壓鑄機鑄模中進行快速壓鑄。壓鑄參數(shù)如下壓射力150KN；液壓頂出力100KN；管路工作壓力12MPa；壓鑄合金(即多孔鎳鈦形狀記憶合金的包覆金屬)為DA-01鑄造鋁合金(相當于美國的ADC12合金，而且該合金也是一種復(fù)相型阻尼減振合金)。待壓鑄件凝固后，打開壓鑄模，取出鑄件，得到φ30mm的具有致密外包金屬防護層的多孔形狀記憶合金復(fù)合材料，由于其具有良好的阻尼特性，屬阻尼復(fù)合材料。
采用線切割剖開壓鑄件，車削并經(jīng)砂紙打磨后即可得到如圖4所示的試樣件。由圖4和圖5可見，在本實施例單側(cè)鋁合金滲入深度最深可達9mm，鋁合金不僅在外面緊緊地包裹住多孔材料，而且由于鎳鈦形狀記憶合金孔洞的不規(guī)則性與三通性，鋁合金沿孔隙滲入到多孔材料內(nèi)部，并與多孔鎳鈦形狀記憶合金相互鉤抱在一起。另外，鋁合金與多孔鎳鈦形狀記憶合金之間結(jié)合處致密，未見有裂紋等缺陷出現(xiàn)，這顯然對提高它們之間的結(jié)合力大有幫助。
參見圖6，在70℃以下時多孔鎳鈦形狀記憶合金處于馬氏體狀態(tài)，合金將具有良好的阻尼效果。
比較例1本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中致密態(tài)等原子比鎳鈦形狀記憶合金相比，本發(fā)明實施例1中多孔鎳鈦形狀記憶合金的密度為2.6g/mm3左右，而致密態(tài)等原子比鎳鈦形狀記憶合金的密度為6.44g/mm3，單位體積的重量是本發(fā)明多孔材料的2.5倍左右；由于內(nèi)部孔洞的存在，本發(fā)明所制備的多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的吸聲特性優(yōu)于致密態(tài)等原子比鎳鈦形狀記憶合金。
比較例2與其它不具備形狀記憶效應(yīng)的多孔材料相比，本發(fā)明所得產(chǎn)品，在70℃以下時，多孔鎳鈦形狀記憶合金顯然可以依靠熱彈性馬氏體相轉(zhuǎn)變吸收能量來提高材料的阻尼特性，而不具備熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變的多孔材料則不具備這種優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于取形狀記憶合金原始粉末，先通過燃燒合成技術(shù)制備多孔形狀記憶合金，再用壓力鑄造工藝將金屬包覆在多孔形狀記憶合金基體上，具體工藝如下1)制備多孔形狀記憶合金(1)取形狀記憶合金原始粉末，按近等原子比配置；(2)將粉末均勻地混合，并制成具有35～65％原始孔隙度的坯料；(3)將坯料置于加熱爐中，并在惰性氣體氣氛的保護下進行預(yù)熱；(4)當坯料達到最小點火溫度、且低于700℃溫度時，采用外熱源點燃坯料的一端，燃燒波自發(fā)地蔓延到另一端，從而合成多孔形狀記憶合金；2)處理多孔形狀記憶合金(1)將所述多孔形狀記憶合金機械加工成所需形狀和尺寸；(2)進行清洗；3)金屬包覆(1)熔煉包覆用金屬合金；(2)清理壓鑄模具，并噴刷涂料；(3)將步驟2處理過的多孔形狀記憶合金放置在模具中；(4)合模；(5)將熔融的包覆用合金澆入壓鑄模中進行壓鑄；(6)待壓鑄件凝固后，打開壓鑄模，取出鑄件，得具有致密外包金屬防護層的多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料。
2.按照權(quán)利要求1所述金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于對所述產(chǎn)品在步驟3)后可加步驟4)進行鑄件的表面精處理打磨去除鑄件上的毛刺和飛邊；或者再經(jīng)過簡單的表面機械加工。
3.按照權(quán)利要求1所述金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述形狀記憶合金為鎳鈦形狀記憶合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及阻尼技術(shù)，具體地說是一種金屬包覆多孔形狀記憶合金阻尼復(fù)合材料的制備方法。它先通過燃燒合成技術(shù)制備多孔形狀記憶合金，再用壓力鑄造工藝將金屬包覆在多孔形狀記憶合金基體上，具體工藝為1)制備多孔形狀記憶合金取形狀記憶合金原始粉末，配比混合，制成坯料；再置于加熱爐中預(yù)熱；點燃坯料，合成多孔形狀記憶合金；2)處理多孔形狀記憶合金機械加工成所需形狀和尺寸；進行清洗；3)金屬包覆熔煉包覆用金屬合金；清理壓鑄模具；將步驟2處理過的多孔形狀記憶合金放置在模具中；合模；將包覆用合金澆入壓鑄模中壓鑄；即可。本發(fā)明阻尼復(fù)合材料具有阻尼性能優(yōu)、密度小、力學(xué)性能好等特點。
文檔編號B32B15/01GK1428239SQ011389
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月25日
發(fā)明者張峻巍, 李永華, 朱圣龍, 王福會, 戎利建, 楊樹林, 李依依 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所