本發(fā)明涉及一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料及其制備方法，屬于銅合金材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展，各種設(shè)備裝備日趨高速化和大功率化，減震、降噪的需求變得越來越重要和迫切。阻尼合金又稱為減振合金，是一種能將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉的新型金屬功能材料。阻尼合金能夠吸收震動(dòng)所產(chǎn)生的能量，其最大的特點(diǎn)是共振曲線趨于扁平，振動(dòng)衰減快，共振振幅小，能夠起到極佳的減震、緩沖、降噪作用。其中，cu-mn-x系阻尼合金是發(fā)現(xiàn)最早、研究時(shí)間最長(zhǎng)而且也是減振性能最為優(yōu)異的阻尼合金之一。這類合金的比阻尼性能可達(dá)到s.d.c30％以上，是鋼鐵類金屬(鑄鐵、碳鋼、不銹鋼等s.d.c為1-4％)的幾十倍，也由于很多阻尼合金(fe-mn合金s.d.c為20-25％，zn-al阻尼合金s.d.c為25-27％)。cu-mn系阻尼合金在一定溫度下具有較好的穩(wěn)定性，對(duì)于干擾源的頻率敏感性低，具有很高的工程價(jià)值。國(guó)際上對(duì)于cu-mn系阻尼合金的研究開展較早，已經(jīng)研發(fā)出多種性能優(yōu)異的cu-mn系阻尼合金，并且成功實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)和應(yīng)用。例如，英國(guó)石錳海洋公司開發(fā)的sonoston合金、國(guó)際銅研究協(xié)會(huì)開發(fā)的incramute合金、前蘇聯(lián)隨即研制的abpopa合金等。國(guó)內(nèi)在cu-mn系阻尼合金研究方面起步較晚，也取得了一些研究成果。在“六五”、“七五”計(jì)劃期間，國(guó)內(nèi)研制成功mn-cu系的高阻尼mc-77合金、2031阻尼合金等。但是，隨著科技水平的不斷發(fā)展，對(duì)于各類裝備、設(shè)備的降噪、減震要求不斷提高，對(duì)阻尼合金的阻尼性能也提出了更高的要求。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)合金部件的裝配、減重和機(jī)加工等多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于阻尼合金還提出了更高的力學(xué)性能要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)問題，為了提高阻尼合金材料的阻尼性能和綜合力學(xué)性能，在cu-mn系合金的基礎(chǔ)上，提出了新型cu-mn-x系阻尼合金材料的成分以及其制備方法，可以使其比阻尼性能sdc提高至40％-50％，同時(shí)兼具較好的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度650-700mpa，延伸率30％-40％)，大大提高了合金的綜合性能。

本發(fā)明基于少量合金元素對(duì)cu-mn系合金的相變、顯微組織、晶粒尺寸等影響規(guī)律，在cu-mn合金的基礎(chǔ)上，添加少量合金元素x，并且通過熱變形+高溫/低溫組 合時(shí)效工藝，制備出高阻尼性能的新型cu-mn-x系合金。

本發(fā)明提供了一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料，其中的x元素是指zr、cr、b元素，其三者的總和小于等于2wt％。加入少量合金元素x，可以凈化合金、細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度，并且在不改變合金順磁→反磁轉(zhuǎn)變和馬氏體相變溫度的前提下，增加孿晶比例，進(jìn)而也顯著提高阻尼性能。

本發(fā)明的高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料，該合金的主要成分為：cu元素為43wt％-54.7wt％，mn元素為45-55wt％，x元素為zr、cr和b元素，zr元素為0.1wt％-1.0wt％，cr元素為0.1wt％-1.0wt％，b元素為0.1wt％-1.0wt％，并且zr+cr+b元素重量之和≤3.0wt％。

優(yōu)選的，上述cu-mn-x系阻尼金屬材料中，zr+cr+b元素重量之和≤2.0wt％。

本發(fā)明的cu-ni-mn合金具有高強(qiáng)度、高彈性和高阻尼性能，合金的比阻尼性能sdc為40％-50％，抗拉強(qiáng)度為650mpa-700mpa，延伸率為30％-40％。

本發(fā)明還提供了一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，包括合金熔煉、熱加工成形、高溫/低溫組合時(shí)效工藝。其具體工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以zr、cr、b、mn和cu金屬為原料，按照如下成分配比：cu元素為43wt％-54.7wt％，mn元素為45-55wt％，zr元素為0.1wt％-1.0wt％，cr元素為0.1wt％-1.0wt％，b元素為0.1wt％-1.0wt％，并且zr+cr+b元素重量之和≤3.0wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，在金屬模中澆鑄成合金坯料；

(2)變形工藝：將合金坯料進(jìn)行總變形量為60-80％的熱軋、熱擠壓或者熱鍛造成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行固溶處理；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理。

步驟(1)中，zr、cr、b、mn和cu金屬的純度均為99.9w％以上；進(jìn)行熔煉時(shí)，需要在1350℃-1450℃下保溫15-30min，以確保其中的溶質(zhì)原子充分溶解并且擴(kuò)散均勻。所述的合金坯料的厚度為50mm，寬為80-100mm。

步驟(2)中，首先將合金坯料加熱到800℃-860℃下保溫3-4h，使各溶質(zhì)元素充分?jǐn)U散均勻，隨后在該溫度下進(jìn)行總變形量為60％-80％的熱變形；固溶處理為將熱軋后的合金再加熱到800-850℃，保溫2h，空冷至室溫。

步驟(4)中，高溫時(shí)效是將合金坯料加熱至400℃-550℃，保溫4h-8h，空冷至室溫。

步驟(4)中，低溫時(shí)效是將合金坯料團(tuán)置于液氮溫度下(-196℃)，保溫1h-8h，然后自然升溫至室溫。

本發(fā)明的高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，可以使制備的cu-mn-x系阻尼合金具有良好的綜合性能：比阻尼性能sdc提高至40％-50％，同時(shí)兼具較好的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度650-700mpa，延伸率30％-40％)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明公布的新型高阻尼合金材料，是在cu-mn系合金的基礎(chǔ)上添加少量合金元素x，既不改變?cè)泻辖鹣档南嘧兒痛判赞D(zhuǎn)變，又通過細(xì)化晶粒、凈化合金、強(qiáng)化晶界等方式，提高了合金的綜合性能。

2)本發(fā)明公布的新型cu-mn-x合金材料的制備方法，采用高溫/低溫組合時(shí)效工藝，進(jìn)一步增加了α銅基體(fcc結(jié)構(gòu))和馬氏體的ε銅基體(fct結(jié)構(gòu))中能夠產(chǎn)生脫釘內(nèi)耗的不全位錯(cuò)數(shù)量，進(jìn)一步提高了合金的阻尼性能和力學(xué)性能；

3)本發(fā)明公布的一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料，具有良好的綜合性能：比阻尼性能sdc提高至40％-50％，同時(shí)兼具較好的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度650-700mpa，延伸率30％-40％)，具有良好的應(yīng)用前景。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，實(shí)施工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以純度大于99.9％的純zr、純cr、純b、純mn、純cu金屬為原料，按照成分配比：cu元素為54.7wt％，mn元素為45wt％，zr元素為0.1wt％，cr元素為0.1％，b元素為0.1wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中1350℃下進(jìn)行熔煉，保溫15min，在金屬模中澆鑄成合金坯料；合金坯料的厚度為50mm，寬為80mm；

(2)變形工藝：將合金坯料加熱到800℃下保溫4h，進(jìn)行總變形量為60％的熱軋成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行在800℃進(jìn)行2h固溶處理，空冷至室溫；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理：先將合金坯料加熱至400℃，保溫4h-8h，空冷至室溫；再將金坯料至于液氮溫度下(-196℃)，保溫1h，然后自然升溫至室溫。

合金的性能見下表1。

表1實(shí)施例1中cu-mn-x系阻尼金屬材料的性能

實(shí)施例2

一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，實(shí)施工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以純度大于99.9％的純zr、純cr、純b、純mn、純cu金屬為原料，按照成分配比：cu元素為48.4wt％，mn元素為51wt％，zr元素為0.2wt％，cr元素為0.2％，b元素為0.2wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中1380℃下進(jìn)行熔煉，保溫30min，在金屬模中澆鑄成合金坯料；合金坯料的厚度為50mm，寬為90mm；

(2)變形工藝：將合金坯料加熱到850℃下保溫4h，進(jìn)行總變形量為80％的熱鍛造成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行在850℃進(jìn)行2h固溶處理，空冷至室溫；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理：先將合金坯料加熱至450℃，保溫4h-8h，空冷至室溫；再將金坯料至于液氮溫度下(-196℃)，保溫4h，然后自然升溫至室溫。

合金的性能見下表2。

表2實(shí)施例2中cu-mn-x系阻尼金屬材料的性能

實(shí)施例3

一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，實(shí)施工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以純度大于99.9％的純zr、純cr、純b、純mn、純cu金屬為原料，按照成分配比：cu元素為43wt％，mn元素為54wt％，zr元素為1.0wt％，cr元素為1.0％，b元素為1.0wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中1450℃下進(jìn)行熔煉，保溫30min，在金屬模中澆鑄成合金坯料；合金坯料的厚度為50mm，寬為100mm；

(2)變形工藝：將合金坯料加熱到860℃下保溫4h，進(jìn)行總變形量為80％的熱擠壓成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行在850℃進(jìn)行2h固溶處理，空冷至室溫；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理：先將合金坯料加熱至550℃，保溫4h-8h，空冷至室溫；再將金坯料至于液氮溫度下(-196℃)，保溫8h，然后自然升溫至室溫。

合金的性能見下表3。

表3實(shí)施例3中cu-mn-x系阻尼金屬材料的性能

實(shí)施例4

一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，實(shí)施工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以純度大于99.9％的純zr、純cr、純b、純mn、純cu金屬為原料，按照成分配比：cu元素為46.3wt％，mn元素為53wt％，zr元素為0.5wt％，cr元素為0.1％，b元素為0.1wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中1350℃下進(jìn)行熔煉，保溫30min，在金屬模中澆鑄成合金坯料；合金坯料的厚度為50mm，寬為85mm；

(2)變形工藝：將合金坯料加熱到830℃下保溫4h，進(jìn)行總變形量為80％的熱軋成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行在820℃進(jìn)行2h固溶處理，空冷至室溫；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理：先將合金坯料加熱至500℃，保溫4h-8h，空冷至室溫；再將金坯料至于液氮溫度下(-196℃)，保溫3h，然后自然升溫至室溫。

合金的性能見下表4。

表4實(shí)施例4中cu-mn-x系阻尼金屬材料的性能

實(shí)施例5

一種高阻尼性能cu-mn-x系阻尼金屬材料的制備方法，實(shí)施工藝步驟包括：

(1)坯料熔鑄：以純度大于99.9％的純zr、純cr、純b、純mn、純cu金屬為原料，按照成分配比：cu元素為45wt％，mn元素為53wt％，zr元素為1.0wt％，cr元素為0.5％，b元素為0.5wt％，在真空感應(yīng)熔煉爐中1350℃下進(jìn)行熔煉，保溫30min，在金屬模中澆鑄成合金坯料；合金坯料的厚度為50mm，寬為85mm；

(2)變形工藝：將合金坯料加熱到830℃下保溫4h，進(jìn)行總變形量為80％的熱軋成形；成形后的合金坯料再進(jìn)行在820℃進(jìn)行2h固溶處理，空冷至室溫；

(3)固溶處理后的合金坯料經(jīng)過表面清理；

(4)時(shí)效熱處理：將清理后的合金坯料依次進(jìn)行高溫時(shí)效和低溫時(shí)效處理：先將合金坯料加熱至520℃，保溫4h-8h，空冷至室溫；再將金坯料至于液氮溫度下(-196℃)，保溫8h，然后自然升溫至室溫。

合金的性能見下表5。

表5實(shí)施例4中cu-mn-x系阻尼金屬材料的性能

綜上所述，本發(fā)明制備方法主要是通過合金熔煉、熱加工成形、高溫/低溫組合時(shí)效工藝獲得高阻尼性能的合金材料，該合金的比阻尼性能sdc為40％-50％，抗拉強(qiáng)度650mpa-700mpa，延伸率30％-40％，具有良好的綜合性能。