CN112481519B - 一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法。该方法包括如下步骤：第一步，将Cu51Zr14孕育剂颗粒与多层石墨烯混合球磨后，得到复合粉末；第二步，将复合粉末冷压成形，得到预制块体；第三步，在CuAlMn形状记忆合金熔炼时，加入Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新升温至850～900℃，保温后于室温的水中淬火，制得高阻尼CuAlMn形状记忆合金。本发明克服了现有技术仅通过细化晶粒对阻尼性能提高有限，而通过第二相析出增加界面数量提高阻尼时，第二相的大小、数量较难控制等不足，使得CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能显著提高。
Description
技术领域
本发明的技术方案属于复合材料技术领域，具体地说是一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法。
背景技术
在如今工业技术高速发达的时代，各类高速、高效、自动化的机械设备日益增多，随之而来的振动、噪声和疲劳断裂等问题也越发严重的影响到了人们的生产和生活，而且，航空航天、冶金和国防军工等高尖端领域对减振降噪的需求也一直很高，因此，设计、开发能够从源头上解决现代工业及生产和生活中各种设备及器械振动和噪音问题的功能材料迫在眉睫。CuAlMn形状记忆合金作为一种功能材料，因其良好的形状记忆效应、丰富的原材料来源以及低廉的制造成本在机械制造领域中获得了广泛的应用，其市场前景十分可观。然而，该类合金目前仍存在因晶粒粗大而易发生沿晶断裂以及阻尼性能偏低的不足。因此，采用一定的技术手段使其晶粒得到细化是提高该合金综合性能及进一步拓宽其应用领域的关键。
截至目前为止，人们用于金属材料晶粒细化的主要手段主要包括快速凝固法、孕育剂细化法、粉末冶金法、形变热处理法、以及机械振动和超声振荡法。其中，孕育剂细化法因具有简单易操作、细化效果较其它方法更为明显，且所制备产品具有不受尺寸限制的优点而成为了最为常用的一种晶粒细化的方法。CN105568019B公开了一种CuAlMn形状记忆合金晶粒的细化方法，是利用孕育剂Cu51Zr14的变质细化作用对CuAlMn形状记忆合金的晶粒进行细化；CN107916348B公开了细晶CuAlMn形状记忆合金的制备方法，是通过新型的Al基LaScB孕育剂对CuAlMn形状记忆合金的晶粒进行细化。然而利用以上现有技术所制得的CuAlMn形状记忆合金，仅通过晶粒细化作用对CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能提高仍然有限。CN110527934B公开了一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，该方法是通过孔型轧制的工艺使CuAlMn形状记忆合金的晶粒、组织进一步细化以及轧制过程中使得细小弥散的第二相析出增加了界面的数量来提高阻尼，然而该方法操作工艺复杂，轧制过程中第二相析出的大小和数量难以控制。CN109266887B公开了一种高阻尼铜基形状记忆合金的制备方法，是通过向CuAlMn形状记忆合金中加入稀土元素Sc和金属元素Nb，之后再经母相高温时效析出第二相来提高CuAlMn形状记忆合金的阻尼，同样，该方法在高温时效过程中第二相析出的大小和数量难以控制，且所用稀土元素Sc和金属元素Nb成本较高。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法。该方法结合了球磨处理、冷压及中频感应熔炼技术，在CuAlMn形状记忆合金中除了孕育剂外同时加入了多层石墨烯，克服了现有技术仅通过细化晶粒对阻尼性能提高有限，而通过第二相析出增加界面数量提高阻尼时，第二相的大小、数量较难控制的不足，使得CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能显著提高。
本发明的技术方案是：
一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，该方法包括如下步骤：
第一步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯复合粉末：
将Cu51Zr14孕育剂铸锭机械破碎成200μm以下的颗粒后，与多层石墨烯按比例混合，然后装入球磨罐中，采用球磨机，以无水乙醇作为湿磨介质，以200～400r/min的转速球磨处理5～15h后，得到复合粉末；
其中，Cu51Zr14孕育剂颗粒与多层石墨烯的质量比为10:1～10:2.5；
所述的多层石墨烯优选片层厚度为3～10nm。
第二步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯预制块体：
将步骤一制得的复合粉末置于真空干燥箱中，干燥6～10h后取出，再采用液压机冷压成形，压制压强为100～300MPa，保压时间为3～7min，以此获得Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体；
所述的真空干燥的条件优选为气压抽至5Pa，温度为60～100℃；
第三步，制备高阻尼CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn；之后，将纯Cu置于中频感应加热炉的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温2～5min后去除浮渣，然后移至温度为1090～1110℃的电阻炉中保温5～15min，之后，用钟罩压入用铜箔包裹的占CuAlMn形状记忆合金总质量为1.1％～1.25％的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，搅拌20～40秒后浇入模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至850～900℃，保温10～12min后投入室温的水中淬火，由此制得高阻尼CuAlMn形状记忆合金。
上述一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，球磨处理采用的球磨机是全方位行星式球磨机，采用的球磨罐和磨球均为不锈钢材质，磨球直径为5mm、8mm和10mm，且三种磨球的质量比为3:2:1，球料比为10:1，球磨处理采用每球磨30min停止10min，且正反转交替进行的工艺。
上述一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，所制得的高阻尼CuAlMn形状记忆合金，室温阻尼tanθ最高可达到0.0558。
上述一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，所涉及的采用CN105568019B技术制得Cu51Zr14孕育剂的原料和设备是本技术领域公知的，所涉及的操作方法是本技术领域的技术人员能够掌握的。
本发明的实质性特点为：
前期的研究多数为通过添加孕育剂、合金元素细化晶粒，或者通过热处理工艺析出第二相增加界面密度来提高阻尼。多层石墨烯本身具有很高的机械阻尼和界面摩擦滑移耗能能力，对合金阻尼性能的提高极为有用，虽然石墨烯是热门添加物质，但石墨烯与金属熔体不润湿，很难直接将石墨烯加入到金属熔体之中，因此本领域也鲜有人将石墨烯直接加入到铜基形状记忆合金熔体中以提高阻尼性能。
发明人经过大量研究，发现了Cu51Zr14孕育剂本身脆性大便于球磨且不会和石墨烯中的碳反应而失去细化作用，于是先通过全方位行星式球磨机将Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯高度均匀混合，随后冷压成块，成功地借助Cu51Zr14孕育剂将多层石墨烯加入到了CuAlMn合金的熔体之中，从而克服了因石墨烯与CuAlMn合金比重显著不同、润湿性不佳而难以加入的难题。从而做到了Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯同时发挥作用，大幅度提高了CuAlMn合金的阻尼性能。
制备中全方位行星式球磨机的采用、通过球磨预先将Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯高度均匀混合、将混合粉预先冷压成块以及投入熔体时采用铜箔包裹块体、投入块体后马上搅拌等步骤，克服了之前的技术难点。在此过程中，Cu51Zr14孕育剂起到了两个方面的作用，一是细化晶粒，二是向合金熔体中成功带入多层石墨烯。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法所具有突出的实质性特点和显著进步如下：
(1)本发明引入了球磨处理及冷压的工艺，在Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯混合过程中，采用的球磨机为全方位行星式球磨机，采用的球磨罐和磨球均为不锈钢材质，磨球直径为5mm、8mm和10mm，且三种磨球的质量比为3:2:1，球料比为10:1，球磨处理采用每球磨30min停止10min，且正反转交替进行的工艺，球磨处理过程中加入无水乙醇作为湿磨介质。该优选球磨机以及直径和质量比的磨球有利于制备均匀分散的Cu51Zr14孕育剂与石墨烯的混合粉末，该优选球料比有利于Cu51Zr14孕育剂颗粒的破碎与均匀细化；石墨烯片均匀分散附着在Cu51Zr14孕育剂颗粒表面，避免了石墨烯易团聚而难以分散的缺点。而优选的每球磨30min停止10min，且正反转交替进行的工艺，以及湿磨介质的采用均有效避免了球磨罐发热、粉末氧化以及粉末因粘着罐壁损失浪费的不足。通过该选定的球磨工艺可将大块Cu51Zr14孕育剂破碎至厚度约为1μm的不规则片状颗粒，一部分破碎的多层石墨烯片粘附在Cu51Zr14孕育剂的颗粒表面，而在球磨过程中由于Cu51Zr14大的脆性而产生的部分微细颗粒弥散夹杂在多层石墨烯片层之间形成一种夹芯结构，然后通过冷压成形制得致密的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块，之后再用铜箔包裹后加入到CuAlMn形状记忆合金的熔体之中。通过采用这一系列措施巧妙克服了因金属基体与石墨烯比重显著不同，且在化学上不相容、不润湿，从而难以将石墨烯直接均匀地加入到CuAlMn形状记忆合金熔体中的难题。
(2)本发明在CuAlMn形状记忆合金中同时加入了Cu51Zr14孕育剂和多层石墨烯。一方面，Cu51Zr14孕育剂的异质形核作用使得CuAlMn形状记忆合金的晶粒、组织细化，从而有效增加了界面的数量(包括马氏体间的界面和孪晶界面、相转变过程中马氏体相与母相间的界面以及孕育剂颗粒与基体间的界面)。这些界面在外加交变载荷下均能高效地消耗能量，从而使得CuAlMn形状记忆合金具有高的阻尼能力。另一方面，多层石墨烯本身具有很高的机械阻尼和界面摩擦滑移耗能能力，且在球磨过程中额外产生了大量的褶皱形态的石墨烯-石墨烯界面，这些因素进一步提高了CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能，因此，本发明可取得较之现有技术CN105568019B及CN107916348B更佳的阻尼本领。本发明方法所制得的CuAlMn形状记忆合金室温下的阻尼值最高可达0.0558，而现有技术CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金室温下的阻尼值最高仅达0.0264，CN107916348B制得的CuAlMn形状记忆合金室温下的阻尼值最高为0.0400。
(3)本发明方法所需设备常见，操作简单，易于实现规模化生产。
(4)CN105568019B和CN107916348B均为本发明发明人早先的发明专利，其提高阻尼均为通过添加孕育剂细化晶粒的手段，存在阻尼提高效果仍然有限，不能满足伴随机械设备逐渐趋向于高速、高效、智能化和自动化而迫切需要减振降噪的问题。CN109266887B和CN110527934B为本发明人近两年的发明专利申请，分别在细化晶粒的基础上通过高温时效和孔型轧制的工艺析出第二相颗粒增加界面的数量来进一步提高阻尼能力，而这两种提高阻尼的手段均存在较难控制析出的第二相颗粒的大小和数量的不足。为此，本发明人团队在以上发明的基础上又经过了大量艰苦的实验，经过付出艰辛劳动最终创造性的采用了球磨处理的工艺将多层石墨烯与Cu51Zr14孕育剂混合球磨，使一部分破碎的石墨烯片粘附在Cu51Zr14孕育剂颗粒的表面，而在球磨过程中由于Cu51Zr14大的脆性而产生的部分微细颗粒弥散夹杂在石墨烯片层之间形成了一种夹芯结构。两者同时加入到CuAlMn形状记忆合金中后，不但使CuAlMn形状记忆合金的晶粒得到细化、界面密度得到提高，加入的多层石墨烯本身高的机械阻尼、界面摩擦滑移耗能本领以及在球磨过程中产生的褶皱形态的石墨烯-石墨烯界面可进一步增加界面耗能而显著提高合金的阻尼性能。在现有技术CN105568019B和CN107916348B以及CN109266887B和CN110527934B的基础上结合本领域的公知常识或常规技术手段来获得本发明的技术方案绝不是本领域技术人员轻而易举就能得到的。
CN110016589A“一种高强度铜镍合金材料及其制备方法”，是通过石墨烯的加入与其它成分相互作用形成大量网状结构，显著的提升了材料的强度和韧性。CN109852841B“一种高强高韧石墨烯增强铜基复合材料及其珍珠层仿生制备方法”，是通过珍珠层“砖-泥-桥”结构的仿生，提高了铜基复合材料的强度和韧性。而本发明所提供的技术方案是通过球磨处理、冷压及中频感应熔炼技术，在CuAlMn形状记忆合金中同时加入了孕育剂和多层石墨烯来提高其阻尼性能，以此满足减振降噪的应用需求，本发明与以上二者的技术方案、性能产生的机理及目的均明显不同。
本发明方法也适用于其它铜基形状记忆合金阻尼性能的提高。
下面的实施例将进一步证明本发明方法的突出的实质性特点和显著的进步。
具体实施方式
实施例1
本实施例为对比实施例。
制备未细化的CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn，之后，将纯Cu置于中频感应加热炉内的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温3min后迅速撇去表面浮渣，然后移至温度为1100℃的电阻炉中保温10min，之后，搅拌30秒后浇入钢制模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至900℃，保温10min后投入室温的水中淬火，由此最终制得温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别为0.0108、0.0101和0.0123的未细化的CuAlMn形状记忆合金产品。
实施例2
第一步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯复合粉末：
将CN105568019B(该专利中实施例3-9中步骤一制得)制得的Cu51Zr14孕育剂铸锭机械破碎成200μm以下的颗粒后，与商购(芜湖吉康新材料科技有限公司，WG5)的片层厚度为3～10nm的多层石墨烯按照质量比为10:2的比例混合，然后按照球料质量比为10:1装入球磨罐中，采用全方位行星式球磨机以无水乙醇(充满球磨罐，以防止空气进入)作为湿磨介质以200r/min的转速球磨处理15h后得到Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的复合粉末；
第二步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯预制块体：
将步骤一制得的复合粉末置于真空干燥箱中，干燥箱气压抽至5Pa，温度设为100℃，干燥6h后取出，再采用液压机冷压成形，压制压强为100MPa，保压时间为7min，以此获得Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体；
第三步，制备高阻尼CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn。之后，将纯Cu置于中频感应加热炉的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温2min后迅速撇去表面浮渣，然后移至温度为1090℃的电阻炉中保温15min，之后，用钟罩压入用铜箔包裹的占CuAlMn形状记忆合金总质量为1.2％的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，搅拌20秒后浇入钢制模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至850℃，保温12min后投入室温的水中淬火，由此最终制得温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0481、0.0450和0.0417的CuAlMn形状记忆合金产品(阻尼性能是采用动态热机械分析仪(简称DMA，型号为Q800，美国TA仪器公司)采用单悬臂法来测量)。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值均是实例1所制产品在此温度时阻尼值的4.45倍，而100℃时的阻尼值是实施例1所制产品在此温度时阻尼值的3.39倍。
实施例3
第一步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯复合粉末：
将CN105568019B制得的Cu51Zr14孕育剂铸锭机械破碎成200μm以下的颗粒后，与商购的片层厚度为3～10nm的多层石墨烯按照质量比为10:1的比例混合，然后按照球料质量比为10:1装入球磨罐中，采用全方位行星式球磨机以无水乙醇作为湿磨介质以300r/min的转速球磨处理10h后得到Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的复合粉末；
第二步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯预制块体：
将步骤一制得的复合粉末置于真空干燥箱中，干燥箱气压抽至5Pa，温度设为80℃，8h后取出，再采用液压机冷压成形，压制压强为200MPa，保压时间为5min，以此获得Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体；
第三步，制备高阻尼CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn。之后，将纯Cu置于中频感应加热炉的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温3min后迅速撇去表面浮渣，然后移至温度为1100℃的电阻炉中保温10min，之后，用钟罩压入用铜箔包裹的占CuAlMn形状记忆合金总质量为1.1％的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，搅拌30秒后浇入钢制模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至900℃，保温10min后投入室温的水中淬火，由此最终制得温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0369、0.0326和0.0298的CuAlMn形状记忆合金产品。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值分别是实例1所制产品在此温度时阻尼值的3.41倍和3.22倍，而100℃时的阻尼值是实例1所制产品在此温度时阻尼值的2.42倍。
实施例4
本实施中除了第一步中Cu51Zr14孕育剂颗粒与商购的多层石墨烯按照质量比为10:1.5的比例混合，第三步中预制块体的添加量占CuAlMn合金总质量为1.15％之外，其他均同于实施例3。
本实施例所制得的CuAlMn形状记忆合金温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0423、0.0390和0.0356。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值分别是实例1所制产品在此温度时的3.91倍和3.86倍，而100℃时的阻尼值是实例1所制产品在此温度时阻尼值的2.89倍。
实施例5
本实施例中除了第一步中Cu51Zr14孕育剂颗粒与商购的多层石墨烯按照质量比为10:2的比例混合,第三步中预制块体的添加量占CuAlMn合金总质量为1.2％之外，其他均同于实施例3。
本实施例所制得的CuAlMn形状记忆合金温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0558、0.0509和0.0446。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值分别是实例1所制产品在此温度时阻尼值的5.16倍和5.03倍，而100℃时的阻尼值是实例1所制产品在此温度时阻尼值的3.62倍。
实施例6
本实施例中除了第一步中Cu51Zr14颗粒与商购的多层石墨烯按照质量比为10:2.5的比例混合,第三步中预制块体的添加量占CuAlMn合金总质量为1.25％之外，其他均同于实施例3。
本实施例所制得的CuAlMn形状记忆合金温度为35℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0520、0.0474和0.0432。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值分别是实例1所制产品在此温度时阻尼值的4.81倍和4.69倍，而100℃时的阻尼值是实例1所制产品在此温度时阻尼值的3.51倍。
实施例7
第一步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯复合粉末：
将CN105568019B制得的Cu51Zr14孕育剂铸锭机械破碎成200μm以下的颗粒后，与商购的片层厚度为3～10nm的多层石墨烯按照质量比为10:2的比例混合，然后按照球料质量比为10:1装入球磨罐中，采用全方位行星式球磨机以无水乙醇作为湿磨介质以400r/min的转速球磨处理5h后得到Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的复合粉末；
第二步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯预制块体：
将步骤一制得的复合粉末置于真空干燥箱中，干燥箱气压抽至5Pa，温度设为60℃，10h后取出，再采用液压机冷压成形，压制压强为300MPa，保压时间为3min，以此获得Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体；
第三步，制备高阻尼CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn。之后，将纯Cu置于中频感应加热炉的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温5min后迅速撇去表面浮渣，然后移至温度为1110℃的电阻炉中保温5min，之后，用钟罩压入用铜箔包裹的占CuAlMn形状记忆合金总质量为1.2％的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，搅拌40秒后浇入钢制模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至880℃，保温11min后投入室温的水中淬火，由此最终制得温度为25℃、70℃和100℃时阻尼值分别可达0.0454、0.0422和0.0407的CuAlMn形状记忆合金产品。对比可知，该实例制备的CuAlMn形状记忆合金产品在35℃和70℃时的阻尼值分别是实例1所制产品在此温度时阻尼值的4.20倍和4.17倍，而100℃时的阻尼值是实例1所制产品在此温度时阻尼值的3.30倍。
表1列出了实施例1～7所制得的CuAlMn形状记忆合金在35℃、70℃和100℃时的阻尼性能。
表1
由表1可见，采用本发明方法所制备的CuAlMn形状记忆合金的阻尼值较之现有技术所制备的CuAlMn形状记忆合金的阻尼值有显著提高。尤其是实施例5和6制得的CuAlMn形状记忆合金在35℃时的阻尼值分别由实施例1所制得的未细化CuAlMn形状记忆合金的0.0108增长至0.0558和0.0520，分别提高至5.16倍和4.81倍；实施例5和6制得的CuAlMn形状记忆合金在70℃和100℃时，阻尼值分别由实施例1制得的未细化CuAlMn形状记忆合金的0.0101和0.0123增长至0.0509和0.0446(分别提高至5.03倍和3.62倍)，以及0.0474和0.0432(分别提高至4.69倍和3.51倍)。分析认为，本发明采用全方位行星式球磨机预先对Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯进行混合、球磨，使一部分破碎的石墨烯片粘附在Cu51Zr14孕育剂片状颗粒的表面，而在球磨过程中由于Cu51Zr14大的脆性而产生的部分微细颗粒弥散夹杂在石墨烯的片层之间形成一种夹芯结构，以此成功地借助Cu51Zr14孕育剂将石墨烯均匀地加入到了CuAlMn形状记忆合金的熔体之中。Cu51Zr14孕育剂与石墨烯同时加入，一方面，Cu51Zr14孕育剂的异质形核作用可使得CuAlMn形状记忆合金的晶粒、组织有效细化，从而显著增加了界面的数量(包括马氏体间的界面和孪晶界面、相转变过程中马氏体相与母相间的界面以及孕育剂颗粒与基体间的界面)，这些界面在外加交变载荷下均能高效地消耗能量，从而使得CuAlMn形状记忆合金具有高的阻尼能力。另一方面，多层石墨烯本身具有很高的机械阻尼和界面摩擦滑移耗能能力，且在球磨过程中额外产生了大量的褶皱形态的石墨烯-石墨烯界面，这些因素进一步提高了CuAlMn形状记忆合金的阻尼性能，从而使得所制备的CuAlMn形状记忆合金产品的阻尼能力显著提高。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：
第一步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯复合粉末：
将Cu51Zr14孕育剂铸锭机械破碎成200 μm以下的颗粒后，与多层石墨烯按比例混合，然后装入球磨罐中，采用球磨机，以无水乙醇作为湿磨介质，以200～400 r/min的转速球磨处理5～15 h后，得到复合粉末；
其中，Cu51Zr14孕育剂颗粒与多层石墨烯的质量比为10:1～10:2.5；
第二步，制备Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯预制块体：
将步骤一制得的复合粉末置于真空干燥箱中，干燥6～10 h后取出，再采用液压机冷压成形，压制压强为100～300 MPa，保压时间为3～7 min，以此获得Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体；
第三步，制备高阻尼CuAlMn形状记忆合金产品：
按照CuAlMn形状记忆合金中，Al占CuAlMn总质量的11.9％，Mn占CuAlMn总质量的2.5％，其余为Cu的组成，称取所需用量的原料纯Cu、纯Al和电解Mn；之后，将纯Cu置于中频感应加热炉的石墨坩埚中，待升温至Cu熔化后依次加入电解Mn和纯Al，待原料全部熔化并保温2～5 min后去除浮渣，然后移至温度为1090～1110 ℃的电阻炉中保温5～15 min，之后，用钟罩压入用铜箔包裹的占CuAlMn形状记忆合金总质量为1.1％～1.25％的Cu51Zr14孕育剂与多层石墨烯的预制块体，搅拌20～40秒后浇入模具中，待CuAlMn形状记忆合金凝固后，重新将其放入电阻炉中，并升温至850～900 ℃，保温10～12 min后投入室温的水中淬火，由此制得高阻尼CuAlMn形状记忆合金；
所述的多层石墨烯片层厚度为3～10 nm。
2.如权利要求1所述的高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，其特征为第二步中所述的真空干燥的条件为气压抽至5 Pa，温度为60～100 ℃。
3.如权利要求1所述的高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，其特征为球磨处理采用的球磨机为全方位行星式球磨机，采用的球磨罐和磨球均为不锈钢材质，磨球直径为5mm、8 mm和10 mm，且三种磨球的质量比为3:2:1，球料比为10:1，球磨处理采用每球磨30min停止10 min，且正反转交替进行的工艺。
4.如权利要求1所述的高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，其特征为所制得的高阻尼CuAlMn形状记忆合金，室温阻尼tanθ最高可达到0.0558。
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| 石墨颗粒/CuAlMn形状记忆合金复合材料中的位错内耗峰;孙蔚等;《物理学报》;20070228;第56卷(第2期);第2.1节和第4节 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112481519A (zh) | 2021-03-12 |
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