专利名称：一种高强高阻尼复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高强高阻尼复合材料及其制备方法，具体的说是通过向多孔 TiNi合金中渗入Al-12%Si合金，制备出一种新颖的拥有高强度高阻尼性能的复 合材料。
背景技术：
随着现代工业的发展，人们除了对机械提出高性能、高效率、高精度的要求 外，对于由机械装置引起的振动、噪声及其对环境污染的治理也日益重视。如何
M^振动和抑制噪声是一个急需解决的重要课题。作为解决方法之一，高阻尼合 金直接用于振源对减振降噪具有明显的效果。在众多高阻尼合金材料中，由于多 孔HM合金同时具有马氏体相变特性以及多孔的微观组织结构，拥有很好的阻尼 减振性能，吸引了广泛的注意。但是由于在受力状态下易在孔壁边缘产生应力集
中或微裂纹，导致多孔T1M合金的力学性能特别是压縮强度较低，并且其高阻尼
性能也仅仅限于马氏体状态，当温度升高材料发生马氏体向奥氏,变后，阻尼
性能明显斷氏，这些限制了多孔TlNi合金作为高强高阻尼材料在工程领域的进一 步应用。
目前，我们已经通过自蔓延方法成功制备具有大空隙尺度的多孔TM合金， 该方法较其他方法而言具有方法简单，产品尺寸可控，合成速度快，孔隙度高， 杂质少，点，因此在本发明专利中多孔TM合金的制备采用自蔓延方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高强高阻尼性能的TiNi/AlSi复合材料及其制
备工艺，通过向多孔TlNi合金中渗入Al-12。/。Si合金，研制出一种成分均匀、制 备方法简单的高强高阻尼复合材料。解刺吏用多孔TM合金时，在受力状态下多 孔TiNi合金的力学性能较低，以及高阻尼性能仅仅限于马氏体状态等问题。 为了实itra目的，本发明的技术方案是
一禾中高强高阻尼复合材料，多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12%Si合金，形 成TiNi/AlSi复合材料；复合材料中，Al-12。/。Si合金的体积占37。/。一45%。
所述的高强高阻尼复合材料，多孔TiNi合金的孔隙度介于60%—66%，开孔 率达到95%以上，孔隙尺寸在320 510拜。
所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，在原有自蔓延制备具有开孔结构的 近等原子比的多孔TM合金基础上，采用挤压铸造工艺，向多孔T5M合金的开 孔中渗入Al-12%Si合金，制备成TiNi/AlSi复合材料。
戶脱的高强高阻尼复合材料的制备方法，自蔓延制备多孔T1M合金的工艺过 程如下
1) 将Ti粉和Ni粉按原子比1:1放入混料器中进行30h—50h的旋转混料，
使其充分均匀混合；
2) 将混合好的混合粉放入真空容器中，真空度为0.1-0,5Pa，进行千燥处理;
3) 将干燥后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa， 形成坯料；
4) 将管式炉升温至40(TC—550°C，并使^g场保持均匀；将成形后的坯 料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10士2ml/min;
5) 当坯料温度达到340°C—44(TC后，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一 端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔 TiNi合金；
6) 将合成后的多孔HNi合金ffiiIMA水中，进行淬火处理。
所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，挤压铸造的工艺过程如下
1) 将用制备好的多孔TM合金方j(A模腔内，加热至55O士10。C;
2) 将Al-12%Si合金放入电阻炉中加热至750± l(TC烙化；
3) 采用挤压铸造工艺，将熔化后的AM2。/。Si合金在700士10。C注入模腔， IO秒内施加压力，比压为100士10MPa，挤压时间30—40秒，完全凝固后，开模 取出铸件。
本发明以多孔TM合金为基体，通过向合金中的孔隙渗入另一种合誠ij备出 兼有高强度高阻尼性能的复合材料。为了保证能够成功渗入合金，并使得两者接 触良好，M^、复合材料中的气 L、疏松等缺陷，多孔TlNi合金必须拥有足够高的 孔隙度，特别是较大的开 L率以及较大的孔隙尺寸，另外还应保证渗入的合金应 该具有良好的液态流动性。由于所制备的复合材料由两种不同的合金物理接触所 成，该材料必将同时拥有两种合金的物理化学性能。因此，为了提高制备材料的 强度以及在多孔TiNi合金相变点温度以上的阻尼性能，所渗入的合金应该具有良 好的力学性能以及高温阻尼性能。
为了实现上述要求，我们采用了以下几个措施
1、 采用自蔓延方法制备具有较大开孔结构的原子比约为1:1的多孔TiNi合 金，使得合金的孔隙度达到60%以上，开孔率达到95%以上，孔隙尺寸在320 510拜。
2、 选用力学性能较好的Al-12MSi合金，此合金在液态具有良好的流动性， 并且其阻尼性能随着温度的升高而增加，拥有较好的高温阻尼性能。
3、 采用挤压铸造工艺制备复合材料，保证多孔HNi合金与Al-12o/。Si合金接 触良好，进一步减少铸件中的气孔、疏松等缺陷，获得成分均匀的铸锭组织。
本发明的优点在于
1、本发明制备方法简单，直接采用挤压铸造工艺，生产成本低；
2、 本发明多孔TiNi合金中的开孔填充良好，不存在明显的缺陷；
3、 本发明显著提高了复合材料的压縮强度，压縮强度较多孔TiNi合金明显 提高，并且使得复合材料具备类似T1M合金相变的特征，特别是相变点、鹏以上 的阻尼性能较高；
4、 本发明引入新的内耗源，显著提高材料的阻尼性能，并且明显改善了材料 在相变点温度以上的阻尼性能；
5、 本发明扩大了多孔T1M合金作为减振材料的使用范围，满足高强度高阻 尼的结构功能一体化材料的使用要求。
图1为复合材茅斗制备流禾呈；
图2 (a) — (b)为复合材料TiNi/AlSi的扫描电镜照片；(a) 二次电子50X 观察；(b)背翻寸1500X观察；
图3为复合材料与多孔TiNi合金的DSC对比曲线；
图4为复合材料TiNi/AlSi与多孔TiNi合金、Al-12%Si合金的压縮强度比较 示意图5为复合材料TiNi/AlSi与多孔TiNi合金、AM2%Si合金的P且尼性能tan S随温度的对比曲线； 具体实驗式
采用高纯Ti粉(》99.0wt%，尺寸《55(orn)和高纯Ni粉(>99.4wt%，尺 寸2.6 2.8,)为原料，从源头控制杂质的含量，TiNi合金的成分范围为(at%): Ti: 50.0±0.5at%， Ni: 50.0±0.5at%。采用自蔓延方法(SHS)制备具有大量开 孔结构的多孔T!Ni合金，预热温度34(TC—44(TC，使其孔隙度介于60%—66%, 开孔率达到95%以上，孔隙尺寸在320 510^m。利用电阻炉高温熔化Al-12%Si 合金，采用挤压铸造工艺将熔化后的Al-12e/。Si渗入多孔TM合金中，制造毛坯，
减少铸件中的疏松、气孔等铸造缺陷，获得成分均匀的铸造组织，见图2 (a)。
由于整个填充过程TIM与Al-12%Si 二者不互溶，各自独立存在，形成独特的 TiNi-AlSi界面，见图2 (b)，因此二者保持各自的物理化学特性不变。由图3可 以看出，采用本发明制备的TiNi/AlSi复合材料具有与多孔TM合皿i以相同的 相变特性。图3中，Ap和Ap'分别代表TiNi/AlSi复合材料和多孔TiM合金DSC 测试中奥氏体相变峰峰温，Mp和Mp'分别代表TlNi/AlSi复合材料和多孔TiNi合 金DSC测试中马氏体相变峰峰温。
复合材料制备的具体工艺如图l，操作工艺如下
1 、将Ti粉和Ni粉按原子比约为1:1方^A混料器中进行30h—50h的旋转混 料，使其充分均匀混合；
2、 将混合好的混合粉方M真空容器中，真空度为0.1—0.5Pa，进行干燥处理;
3、 将干燥后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa， 形成坯料；
4、 将管式炉升温至40(TC—55(TC，并使m^场保持均匀。将成形后的坯 料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10士2ml/min;
5、 当坯料温度达到34(TC—44(TC后，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一 端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔 TiM合金；
6、 将合成后的多孔TiNi合金M放入水中，进行淬火处理。
7、 将用SHS制备好的多孔TiNi合金放入模腔内，加热至550土1(TC;
8、 将Al-12%Si合金放入电阻炉中加热至750± l(TC熔化；
9、 采用挤压铸造工艺，将熔化后的Al-12。/。Si合金在700士10。C注入模腔， 10s内施加压力，比压为100士10MPa，挤压时间30—40s，完全凝固后，开模取 出铸件；所制备的TiNi/AlSi复合材料中，"-12%&合金的体积占37%_45%。
经过上述过程，多孔TM合金中的开 L均被AM2。/。Si合金填充完好，因此 在压縮实验过程中增加了有效承载面积，避免了在多孔TiNi合金的 L壁上产生应 力集中以及微裂纹的可能，从而复合材料的压縮强度得到了显著的提高，采用本 发明制备的T!Ni/AlSi复合材料压縮强度达到358MPa—368MPa，见图4。复合材 料的阻尼性能取决于构成复合材料的多孔TiNi合金以及Al-12%Si合金。图5为 三种材料的阻尼性能随温度的变化曲线，由图5可以看出在低于425K的条件下， TiNi/AlSi复合材料在三者中拥有最好的阻尼性能，并且相变峰高温侧的阻尼性能 略高于低温侧。由于多 L合金中的开 L被填充，因此HNi合金阻尼主要来源于马 氏体界面的运动，而Al-12%Si合金的阻尼主要来源于合金内Si单质周围位错的 运动，因此复合材料表现为二者本征阻尼性能的叠加。在相变点温度以下，复合 材料的主要以马氏体界面运动来消耗能量，当温度上升到相变点以上时，TM合 金内的马氏体发生相变转换成奥氏体，AM2%Si合金中的位错运动成为阻尼的主 要来源，使得复合材料在相变点的两侦,本拥有相同的阻尼性能。另外，复合材 料中的TiNi-AlSi界面是一种物理接触界面，二者结合力较弱，因此在外界交变应 力的作用下，易在界面处形成1lT滑移，从而消耗能量，进一步增加了复合材料的 阻尼性能。本发明中，材料的阻尼性能tan 5值是采用DMA在lHz， 0.01%应变 条件下测得。采用本发明制备的TiNi/AlSi复合材料阻尼性能tan 5值在室温至180 °C区间内介于0.020—0.023 。
采用本专利技术制备的TiNi/AlSi复合材料，不仅使其保留了 TiNi合金的相 变特性，而且提高了多孔TiNi合金的压縮强度，显著增加了材料的阻尼性能，特 别是相变点温度以上的阻尼性能。本发明扩大了多孔TM合金作为减振材料的使 用范围，满足高强度高阻尼的结构功能一体化材料的使用要求。
权利要求
1、一种高强高阻尼复合材料，其特征在于多孔TiNi合金的开孔中渗入Al-12％Si合金，形成TiNi/AlSi复合材料；复合材料中，Al-12％Si合金的体积占37％—45％。
2、 按照权利要求1所述的高强高阻尼复合材料，其特征在于多孔TiM合 金的孔隙度介于60%—66%，开孑L率达到95X以上，孔隙尺寸在320 510Mu m。
3、 按照权利要求1戶服的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于在 原有自蔓延制备具有开孔结构的近等原子比的多孔TM合金基础上，采用挤压铸 造工艺，向多孔riM合金的开孔中渗入Al-12%Si合金，制备成TiNi/AlSi复合材 料。
4、 按照权利要求3所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于，自 蔓延制备多孔TiNi合金的工艺过程如下1) 将Ti粉和Ni粉按原子比1:1放入混料器中进行30h—50h的旋转混料， 使其充分均匀混合；2) 将混合好的混合粉方j(A真空容器中，真空度为0.1—0.5Pa，进行^^燥处理；3) 将^B喿后的混合粉在柱状模具中进行压制成形，压制压力20—50MPa， 形成坯料；4) 将管式炉升温至400°C—550°C，并使^g场保持均匀；将成形后的坯 料放入管式炉中，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar的流量为10±2ml/min;5) 当坯料温度达到340°C—440°C后，利用钩丝的辉光放热，点燃型坯的一 端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成空隙均匀的多孔 TiNi合金；6) 将合成后的多孔TiNi合金M放入水中，进行淬火处理。
5、按照权利要求3所述的高强高阻尼复合材料的制备方法，其特征在于，挤 压铸造的工艺过f呈如下1) 将用制备好的多孔TiNi合金放入模腔内，加热至550士10。C;2) 将Al-12%Si合金放入电阻炉中加热至750± l(TC熔化；3) 采用挤压铸造工艺，将熔化后的Al-12。/。Si合金在700士l(TC注入模腔， IO秒内施加压力，比压为100士10MPa，挤压时间30—40秒，完全凝固后，开模 取出铸件。
全文摘要
本发明涉及一种高强高阻尼复合材料及其制备方法，材料为近等原子比TiNi与Al-12％Si复合材料。在自蔓延制备的具有大量开孔结构的多孔TiNi合金的基础上，采用挤压铸造工艺，向多孔TiNi合金的中渗入Al-12％Si合金，在700±10℃浇入模腔，10秒内开始施加压力，比压为100±10MPa，挤压时间30-40s，完全凝固后，开模取出铸件，制备成TiNi/AlSi复合材料。该复合材料拥有类似TiNi合金的相变特性，压缩强度较多孔TiNi合金明显提高，并且复合材料具有高于多孔TiNi和AlSi合金的阻尼性能，特别是相变点温度以上的阻尼性能较高。本发明扩大了多孔TiNi合金作为减振材料的使用范围，满足高强度高阻尼的结构功能一体化材料的使用要求。
文档编号B22D23/00GK101386949SQ20071001280
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者刘树伟, 姜海昌, 戎利建, 李秀艳, 赵明久, 闫德胜 申请人:中国科学院金属研究所