复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备方法

专利名称：复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备方法
技术领域：
本发明涉及高阻尼材料的制备技术，特别是涉及具有阻尼能力好、轻质、 高强和超弹性性能稳定的镍钛记忆合金基复合材料制备方法。
背景技术：
在各种民用及工业(包括军工)结构、部件和设施中，对振动、冲击和噪 声的控制及动能的调节变得日益重要。例如，机械运行速度的提高要产生强烈 的振动和噪声，从而会干扰自控系统，降低仪表测量精度或引起疲劳损伤甚至
疲劳破坏；在一些要求实现联接部位阻抗匹配及不同力学性能材料构件界面柔 性联接的场合(例如空间对接和柔性着陆以及抗冲击的空间平台结构等)，要 求材料和结构具有可调节的能量吸收特性，以提高接触稳定性、避免刚性碰撞
导致的破坏或剧烈冲击；另外，振动和噪声也会污染环境，危害人们的身心健
康。近20年来，振动控制、冲击震动缓冲、能量吸收和噪声降低等技术及其 相关材料的研究受到了普遍重视，而阻尼材料的开发就是从材料角度实现上述 功能的重要措施之一。尤其是近年来，随着航空航天技术的快速发展以及在高 临界条件下服役的结构的迅猛发展，再加上现代化工业的发展是以构件设计轻 量化、高强度化和尽可能采用整体加工工艺成型为特点，所用高阻尼材料还必 须兼有高强度、良好的耐腐蚀性及可回复变形能力等。但目前主流应用的高阻 尼材料，无论是聚合物类系(包括橡胶类)粘弹性阻尼材料还是金属系阻尼材 料，均很难同时满足上述要求，尤其是材料的强度与阻尼能力常常是相互矛盾 的，阻尼越大，则强度越低，反之亦然。
镍钛形状记忆合金是目前所有形状记忆合金中最有应用价值的智能合金 材料，具有优异的形状记忆效应和超弹性能力，以及良好的生物相容性、耐蚀 性和耐磨性等，在生物医学、机械工程和航天等领域的应用越来越广。虽然目 前对镍钛记忆合金的研究主要集中在生物医学领域，但近年发现镍钛记忆合金 在制造高阻尼结构和器件方面具有非常好的应用前景，可望利用镍钛记忆合金的相变和逆相变以及迟滞响应和超弹性行为带来优异的阻尼能力，在很多领域 得到有益的应用。 '
一般来说，为了获得高阻尼能力，合金材料内部存在大量的界面(缺陷) 是一个必要条件。镍钛形状记忆合金在应力诱发马氏体相变过程产生的大量界 面(包括不同变体间的界面、孪晶界面和母相-马氏体相界面等)的非弹性运 动以及迟滞效应和可变刚性特点是造成其高阻尼能力的主要原因。另外，从阻 尼技术及应用方面来看，镍钛记忆合金不仅可以作为被动阻尼材料来开发，还 可以充分利用其独特的形状记忆效应和超弹性行为制备主动阻尼系统和器件。
镍钛记忆合金虽具有优异的阻尼能力，但其较高的密度(约6.5g/cm3)对 需要轻质材料的航空和航天应用以及用于高速回转和高速运载机具中功能结 构和器件而言还是一个很大的问题；如何在保证优异的综合力学性能(包括阻 尼能力)的前提下明显降低合金密度，是非常具有挑战性的材料研发问题。
从实现能量吸收器件的轻质及良好重复使用可靠性方面看，将镍钛记忆合 金制成多孔结构被认为是一个好的途径。但近期研究表明，普通多孔镍钛记忆 合金的比阻尼(即阻尼值与密度之比)可以接近甚至高于致密镍钛记忆合金， 但其绝对阻尼值则明显低于致密镍钛记忆合金，而且孔隙率增加导致阻尼能力 下降。这与研究其它轻质多孔泡沫铝和泡沫镁阻尼能力时得到的结论不同。而 且，孔隙的存在严重削弱了镍钛记忆合金的强度和线性超弹性能力，提高孔隙 率及增加孔隙尺寸均使多孔镍钛记忆合金的强度和超辟性能力降低；多孔镍钛 记忆合金相对其致密态而言，其耐蚀性也较差。因此，能否开发一种阻尼能力 优良、力学性能稳定的高阻尼合金成为开发高阻尼材料的研究热点之一。
从材料宏观组成来看，普通多孔镍钛记忆合金主要由本征阻尼很高的镍钛 基体和大量孔隙构成，孔隙是空气介质，而空气的本征阻尼很低。另外，从现 有的阻尼材料来看，单一材料很难同时具有轻质、阻尼能力优异且力学性能好 等综合特点。此时，开发具有高强度、高刚度和高阻尼的复合材料是最佳选择。 目前，在实际工程应用中，已将致密镍钛记忆合金作为增强体埋入其它金属、 高分子、水泥等结构材料中，制成能够实现基体增强、被动-主动振动控制和 形状控制等功能的智能化复合材料。以上智能化功能的实现，主要是依靠镍钛记忆合金在形状回复过程中产生的回复力和回复应变，而基体材料的约束将直 接影响镍钛形状记忆合金的相变及力学行为。但这些复合材料中镍钛记忆合金 体积分数较低，而且本身不是作为主体发挥作用，难以达到很好的阻尼效果。 但是，将镍钛记忆合金作为基体材料，通过添加具有不同物性的其它材料 来调控镍钛记忆合金性能的方法未见报道。尤其是，如果采用镍钛记忆合金为 基体，加入高本征阻尼、低密度、尺寸微小且弥散分布的固态调控材料来置换 或部分取代孔隙，则可望得到维持镍钛记忆合金原有优异形状记忆效应和超弹 性，并同时具备高阻尼、轻质、高强的新型镍钛记忆合金基复合材料。
在金属结构和功能材料中，纯镁密度(1.74 g/cm3)最小，被誉为本世纪 最有应用前景的超轻量材料。它还是一种很有前景的生物材料，具有较低的弹 性模量、适当的强度和优异的生物相容性等特点，可用于制造医学植入体。生 物多孔镁植入人体后，人体的血管和肌肉可以长入其孔隙内，便于人体组织运 送血液和营养，更重要的是镁自身可在生物体中逐渐降解。镁还有另外一个显 著特点在所有轻金属(通常指密度低于5.0 g/cmS的金属)中纯镁具有最好 的阻尼能力，其高比强度、高比弹性模量和高阻尼减振性等特点是铝和钢铁所 不能替代的。通过加入合金化元素能显著提高镁的力学性能，使镁合金的比强 度在各类合金中仅次于钛合金。其中AZ91D是最常用的Mg-Al-Zn合金(主 要合金含量的重量百分比为Al: 8.3~9.0%; Zm 0.35-1.0%; Mn: 0.15-0.5%; Si<0.10%; Cu<0.03%; Ni<0.002%; Fe<0.005%; Mg为余量)，具有优良的 耐蚀性和良好的强度，主要用于汽车、计算机零件、运动器具和家用电器。
发明人曾针对多孔镍钛记忆合金在生物医学中的应用背景，申请发明专利 两项(申请号200610124394.7和200710030822.4)。上述两个发明主要通过向 镍钛合金粉中添加易分解的无机造孔剂，改善了孔隙特征，提高了多孔镍钛记 忆合金的孔隙率和力学性能，使之更符合生物医学需要。本发明主要以镍钛记 忆合金制造智能及高阻尼材料和结构为应用背景，这两方面不同的应用背景对 镍钛记忆合金材料的组织和性能有不同的要求，因而需要解决的关键问题也明 显不同，釆用的方法及目标也不一样。随着对镍钛记忆合金阻尼能力研究的深 入以及应用领域的拓展，解决多孔镍钛记忆合金阻尼能力与综合力学性能之间的矛盾，获得高阻尼、高强度及轻质复合型镍钛记忆合金是具有创新性的工作。 综上所述，采用高本征阻尼、低密度的外加材料对镍钛记忆合金的阻尼能 力和综合性能进行定量调控，发展出完整的材料制备工艺和技术，并用于轻质、 高强、高可靠性智能阻尼结构及能量吸收器件的制造，具有非常重要的科学研 究价值和良好的工程应用前景。

发明内容
本发明针对多孔镍钛记忆合金作为阻尼材料时强度、阻尼值均不高以及致 密镍钛记忆合金密度大、比阻尼低等缺点，提供一种复合型轻质高强镍钛记忆 合金基高阻尼材料设计和制备方法，以用于轻质、高强、高可靠性智能阻尼结 构和能量吸收器件的设计和制造。
复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备方法，其特征在于在惰 性气体保护下，以粉末烧结法为基础并采用轻金属熔渗技术，向多孔镍钛记忆 合金孔隙中渗入纯镁或镁合金的方式来制备轻质、高强及高阻尼复合材料。
具体工艺如下-
(1) 按照镍、钛原子比为50 51%: 49 50%，将纯镍粉和纯钛粉混合
均匀；
(2) 按照造孔剂占生坯重量百分数10 30%的比例，将其与步骤(1) 所得的混合粉充分混合；
(3) 将步骤(2)所得粉末在室温下压制成生坯;将压制好的生坯放入惰 性气体保护下的加热炉中预热0.5 1.5小时，控制温度在200 300°C,使造 孔剂分解而去除； '
(4) 按梯级加热方式升温，将坯料以10-20 TVmin的速率加热至第一级 梯度温度700-800 °C，保温10 20分钟；然后以10~20 °C/min的速率加热至 第二级梯度温度950 1050 'C，保温1~3小时后冷却至室温，制得孔隙均匀 分布的多孔镍钛形状记忆合金； ，
(5) 用纯镁带将金属镁或镁合金与步骤(4)所得的多孔镍钛形状记忆合 金整体紧密包覆后置于烧结炉中组成立式无压熔渗体系，熔渗后金属镁或镁合金占复合材料体积分数的20 40%。
(6)将熔渗体系以10-30 °C/min加热到680-750 °C，在惰性气体保护 下保温熔渗1 3小时，使金属镁或镁合金熔化后渗入多孔镍钛记忆合金孔隙 中，制得复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料。
为进一步实现本发明目的，所用纯钛粉平均粒径均优选为48 pm，纯镍粉 平均粒径均优选为57 pm。
所述惰性气体优选为氩气，其纯度优选高于99.99%。
所述加热炉优选为电加热管式烧结炉。
所述造孔剂优选为经过筛分后形貌规则的碳酸氢铵或尿素，粒径为100 200、 200 300、 300 450、 450 600或600 900 pm中的一种。 所述金属镁的纯度优选大于99.9%，所用镁合金优选为AZ91D。 所述金属镁或镁合金与步骤(4)所得的多孔镍钛形状记忆合金在整体紧 密包覆前还包括对其进行清洗，所述清洗是先用浓度5 10%的NH4C1水溶液 清除金属表面氧化层，然后分别在丙酮和纯水中进行超声波清洗。
所述金属镁或镁合金优选位于镍钛记忆合金上部，形成立式熔渗结构。 本发明通过调整熔渗前多孔镍钛记忆合金中孔隙率来调整熔渗后复合材 料中镁(或镁合金)含量，可制备出力学性能和阻尼能力优良、可控性好的镍 钛记忆合金基复合材料。与传统多孔镍钛记忆合金相比，本发明制备的复合型 轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料具有以下优点'
1、 阻尼能力好。本发明将具有优良阻尼能力的纯镁、良好力学性能的镁 合金与具有高阻尼能力的镍钛记忆合金结合起来，特别是在镍钛合金马氏体状 态下使用时可显著发挥其优良阻尼能力，复合型镍钛记忆合金材料的比阻尼也 优于致密镍钛记忆合金。而且，此复合材料的阻尼能力和力学性能可通过改变 添加相的含量来控制，克服了多孔镍钛记忆合金强度低、阻尼能力较差和致密 镍钛记忆合金密度高等缺点。
2、 强度高、综合力学性能好。当多孔镍钛记忆合金大部分孔隙被镁(或 镁合金)填充时，镁与镍钛合金基体反应生成新相可使镍钛基体得到强化。镁 填充孔隙后对镍钛合金基体的支撑作用使此复合材料的承载能力显著提高，可避免原多孔镍钛记忆合金的孔壁在外力作用下易变形或坍塌而出现的低强度 问题。用本方法制备的复合材料在经历过一次压縮训练后，其强度和超弹性稳 定，多次压縮后力学性能和超弹性变化很小，仍具有良好的线性超弹性。
3、 密度小。制得的镁/镍钛记忆合金基复合材料的密度在4.1 4.5 g/cm3 之间，这相对致密镍钛记忆合金密度(6.45 g/cm3)而言，具有轻质特点，为 其成为比阻尼高的轻质复合型阻尼材料奠定了基础。此外，通过改变镁(或镁 合金)含量，可进一步调控此复合材料的密度。
4、 改善多孔材料耐蚀性。孔隙的存在使多孔材料极易吸附各种外来介质， 会影响多孔材料的使用。当镁(或镁合金)部分填充孔隙后在一定程度上可避 免镍钛记忆合金内部与外界的接触，有效降低外界对其腐蚀。同时，与高分子 聚合物基阻尼复合材料相比，本方法制备的镍钛记忆合金基复合材料在耐蚀性 和工作温度方面具有明显优势。
5、 本发明制备的材料具有形状记忆效应和超弹性特性，对于镁/镍钛记忆 合金基复合材料的形状回复率可达69%。利用此特点，可根据实际情况来设计 合金，从而更好地发挥其阻尼与超弹性特性。 ，
6、 工艺适应性好、成本低，操作简单。制备材料所需设备均为常规通用 设备，烧结时可采用气氛保护烧结或采用真空烧结；通过变换模具，可实现产 品形状和尺寸的多样化；工艺简单方便、制备工序少；材料制备时无污染物产 生，降低了对操作人员影响和周围环境的污染。本发明中加入低成本的镁或镁 合金后可大大降低镍钛记忆合金的应用成本，具有显著'的经济性。


图1-1为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料的光学显微镜照片。 图1-2为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料的X射线衍射图谱。 图1-3为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料经历50次循环压縮
前后的DSC测试曲线。
图1-4为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料与普通多孔镍钛记
忆合金经历50次循环压缩的应力-应变曲线对比图。图1-5为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料内耗值随温度的变 化曲线。
图2为实施例2制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料与普通多孔镍钛记忆 合金经历50次循环压縮的应力-应变曲线对比图。
图3为实施例3制备镁合金/镍钛记忆合金基复合材料的扫描电子显微镜 照片。
图4-1为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料的扫描电镜照片。
图4-2为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料与普通多孔镍 钛合金5次循环压縮应力-应变对比图。
图4-3为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料内耗值随温度 的变化曲线。 '
图5用于阻尼对比实验的普通多孔镍钛记忆合金内耗值随温度的变化曲线。
具体实施例方式
为更好理解本发明，下面结合实施例和附图对本发朋做进一歩说明，伹是 本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例中wt.。/。为重量百分比。 实施例l
用纯镍粉(平均粉粒尺寸为57pm)和纯钛粉(平均粉粒尺寸为48pm)， 按照镍、钛原子比50.8: 49.2配料充分混合24小时后得到原料粉末A。向粉 末A中加入10wt.y。的碳酸氢铵(粒径为200 300，平均粒径250 pm)，充分 混合后制成粉末B。在200 MPa下将粉末B压制成直径16毫米、高度12毫 米的圆柱形生坯。将坯料放入管式烧结炉中，在纯度高于99.99%的氩气保护 下升温到200 。C并保温1.5小时，去除造孔剂碳酸氢铵并活化坯料。然后以15 °C/min升温至700 °C ，保温20分钟。最后以15 °C/min升温到1000 °C ，保温 3小时，冷却后制得孔隙率为36.1%的多孔镍钛记忆合金。
将纯度为99.99%的金属镁和多孔镍钛记忆合金(金属镁的体积略大于多孔镍钛合金体积)用10%NH4C1水溶液浸泡5 min以清除金属表面氧化层，然 后分别在丙酮和纯水中进行超声波清洗，再装入烧结炉内组成熔渗体系。以 20 °C/min的速率升温到680 °C，在纯氩保护下熔渗3小时，使纯镁熔化后渗 入多孔镍钛记忆合金孔隙中，制得阻尼和力学性能优良的镁/镍钛记忆合金基 复合材料。
图1-1为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料的光学显微照片。从 照片上看，采用碳酸氢铵做造孔剂提高了孔隙间的连通性，使镁渗入到由碳酸 氢铵分解后形成的孔隙中。镁凝固收縮后出现的微孔及原多孔镍钛记忆合金中 残留的封闭孔导致熔渗后的复合材料仍具有12.6%的孔隙率，表观密度为4.5 g/cm 。
图1-2为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料的X射线衍射图谱。 衍射分析表明，合金主要成份为NiTi相，同时含有少量粉末烧结法制备镍钛 合金常见的杂质相(NiTi2和Ni3Ti)，无镍、钕单质，烧结充分。由于镁活泼 而导致镁与镍钛合金基体和炉中残余氧发生反应而生成其它金属间化合物和 氧化物，使此复合材料的组成相变得复杂，电子探针能谱分析也进一步验证了 这些新化合物的存在。新相的出现给镍钛合金基复合材料带来更多的相界面， 为其具有良好的阻尼能力提供了晶体学和显微组织条件。
图1-3为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料经历50次循环压縮 前后的DSC曲线。差示扫描量热分析/DSC是研究合金相变过程的一种有效方 法，它通过动态检测合金系统在程控加热过程中的热量变化，直接或间接测出 合金的相变温度、相变热焓等热力学和动力学信息。PA代表发生奥氏体相变 的峰值温度，PM代表发生马氏体转变的峰值温度。测试表明，试样在降温和升 温过程中分别只发生一种相变，即马氏体相变(PM)和奥氏体相变(PA)，室 温下试样组织为马氏体相。本例制备的复合材料马氏体相变和奥氏体相变的峰 值温度分别是49 "C和80 °C,高于普通多孔镍钛记忆合金，这表明镁与基体发 生反应提高了镍钛合金的相变温度，可利用这一个特性使镁/镍钛记忆合金基 复合材料应用于特殊的温度场合。循环压縮训练没有改变试样的相变峰值温 度，但压縮后试样的吸热峰和放热峰明显高于压縮前情况。这说明在循环压縮过程中，镍钛记忆合金基复合材料中生成了新的马氏体，而这些马氏体贡献了 额外的相变热流。
图1-4为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料与未熔渗镁的多孔 镍钛记忆合金经历50次循环压縮的应力-应变曲线对比图。未熔渗镁的多孔镍 钛记忆合金孔隙率为36.1%，密度4.1 g/cm3;熔渗镁后试样的孔隙率为12.6%， 密度为4.5g/cm3。尽管熔渗镁使金属间化合物增多，但镍钛记忆合金基复合材 料经过循环压缩后依然具有稳定的线性超弹性，线性超弹性变形能力达到 2.5%，在5%应变下此复合材料的压缩强度提高了 21%。经过50次循环压縮 后将该复合材料加热到奥氏体相变温度以上依然具有形状回复效应，其形状回 复率可达69%。这说明镁熔渗入原多孔镍钛记忆合金的孔隙后并没有消除镍钛 合金基体的超弹性变形能力和形状记忆效应。压縮试验均依照ASTM E9-89a 标准进行，采用日本岛津AG-X100kN精密万能材料试验机测试；无渗镁(或 镁合金)的普通多孔镍钛记忆合金按照发明人已公开的申请号200610124394.7 的中国发明专利中叙述的方法制备。
图1-5为实施例1制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料内耗值随温度的变 化曲线。镁/镍钛记忆合金基复合材料在降温和升温过程中均出现两个内耗峰， 内耗峰Par、 Prm、 Pmr和Pra分別代表B2 (母相)—R相、R相—B19'(马氏 体相)、B19'—R相和R相—B2的转变过程。镁/镍钛记忆合金基复合材料在 发生R相变、马氏体相变和奥氏体相变时出现阻尼峰；阻尼峰值温度对应材 料模量低值，说明此时材料发生晶格软化，界面易于移动，所以此时阻尼出现 峰值。阻尼测试采用美国TA公司DMAQ800动态力学分析仪，单悬臂模式， 应变振幅为U x l(T，频率为1 Hz。 实施例2
用纯镍粉(平均粉粒尺寸为57pm)和纯钛粉(平均粉粒尺寸为48jiim)， 按照镍、钛原子比5h 49配料充分混合24小时后得到原料粉末C。向粉末C 中加入20wty。的碳酸氢铵(粒径为50 200，平均粒径100nm)，充分混合后 制成粉末D。在100 MPa下将粉末D压制成直径16毫米、高度12毫米的圆 柱形生坯。将坯料放入管式烧结炉中，在纯度高于99.99%的氩气保护下加热到250 。C并保温1小时以去除造孔剂。然后以20 °C/mip加热至750 °C ，保温 15分钟。最后以IO 。C/min加热到1050 °C ，保温2小时，冷却至室温制得孔 隙率为43.6%的多孔镍钛记忆合金。
将纯度为99.99%的金属镁和多孔镍钛记忆合金(金属镁的体积略大于多 孔镍钛合金体积)用5%NH4C1水溶液浸泡5 min以清除金属表面氧化层，然
后分别在丙酮和纯水中进行超声波清洗，再装入烧结炉内组成熔渗体系。以 10 。C/min的加热速率升温到700 。C，在纯氩保护下熔渗2小时，使金属镁完 全熔化后渗入多孔镍钛记忆合金孔隙中，制得阻尼和力学性能优良的镁/镍钛 记忆合金基复合材料。
图2为实施例2制备的镁/镍钛记忆合金基复合材料与普通多孔镍钛记忆 合金经历50次压縮循环的应力-应变曲线对比图。此例制得试样的压縮应力-应变曲线与实施例1制得材料的压縮曲线类似。熔渗前多孔镍钛记忆合金的孔 隙率为43.6%，密度为3.6g/cm、熔渗后复合材料孔隙率为16.1%，密度为4.1 g/cm3。本例中第一次压縮后有2%残余应变，但随后压縮过程中线性超弹性得 到提高，每次压縮后残余应变逐渐减小，熔渗镁后镍钛记忆合金基复合材料试 样的压縮强度提高了 39%，形状回复率为53%。镁熔化后进入多孔镍钛记忆 合金中与孔隙附近镍钛基体相互反应生成新化合物，而且镁填充孔隙后也承担 载荷，使镍钛基体承受外载的能力提高，增强了镍钛基体抗疲劳损伤的能力， 故压縮强度也随之明显提高。 实施例3
用纯镍粉(平均粉粒尺寸为57pm)和纯钛粉(平均粉粒尺寸为48pm)， 按照镍、钛原子比50: 50配料充分混合24小时后得到原料粉末E。向粉末E 中加入30wt.。/。尿素(粒径为300 450，平均粒径400ium)，混合8小时后制 成粉末F。在100 MPa下将粉末F压制成直径16毫米、长度12毫米的圆柱形 生坯料。将坯料放入管式烧结炉中，在纯度高于99.99%的氩气保护下加热到 300 。C并保温0.5小时去除造孔剂。然后以1(TC/min加热至80(TC，保温10 分钟。最后以20 。C/min的加热速率加热到1000°C，保温3小时，冷却至室温 制得孔隙率为60%的多孔镍钛记忆合金。将AZ91D镁合金和多孔镍钛记忆合金(镁合金的体积略大于多孔镍钛合 金体积)用10%NH4C1水溶液浸泡5 min以清除金属表面氧化层，然后分别在 丙酮和纯水中进行超声波清洗，再装入烧结炉内组成熔渗体系。以15 °C/min 升温到750 °C，在纯氩保护下熔渗1小时，使镁合金渗入多孔镍钛记忆合金 孔隙中，制得镁合金/镍钛记忆合金基复合材料。
图3为实施例3制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料扫描电镜照片。 从扫描电镜照片上看，镍钛记忆合金基体上依然存在制备多孔镍钛记忆合金时 形成的微孔(10 30pm)，但原多孔镍钛记忆合金中由造孔剂尿素预制的大孔 隙已被镁合金完全填充，异质材料界面结合良好。 实施例4
用纯镍粉(平均粉粒尺寸为57|im)和纯钛粉(平均粉粒尺寸为48|mi)， 按照镍、钛原子比50.8: 49.2配料充分混合24小时后得到原料粉末G。向粉 末G中加入10wt。/。尿素(粒径为200 300，平均粒径250 pm)，混合8小时 后制成粉末H。在200 MPa下将粉末H压制成直径16毫米、长度12毫米的 圆柱形生坯料。将坯料放入管式烧结炉中，在纯度高于99.99%的氩气保护下 加热到250 'C并保温1小时去除造孔剂。然后以15°C/min加热至750°C，保温 15分钟。最后以15 °C/min的加热速率加热到1050°C，保温2小时，冷却至室 温制得多孔镍钛记忆合金。
将AZ91D镁合金和多孔镍钛记忆合金(镁合金的体积略大于多孔镍钛合 金体积)用7%NH4C1水溶液浸泡5 min以清除金属表面氧化层，然后分别在 丙酮和纯水中进行超声波清洗，再装入烧结炉内组成熔渗体系。以10 °C/min 升温到700 °C,在纯氩保护下熔渗2小时，使镁合金渗入多孔镍钛记忆合金 孔隙中，制得镁合金/镍钛记忆合金基复合材料。
图4-1为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料的扫描电镜照 片。图4-2为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料与普通多孔镍 钛记忆合金5次循环压縮的应力-应变曲线对比图。对比两者的压縮强度可以 发现，普通多孔镍钛记忆合金孔隙中渗入镁合金后，其压縮强度提高了 5倍， 同时该复合材料的线性超弹性依然可达2.1%。图4-3为实施例4制备的镁合金/镍钛记忆合金基复合材料内耗值随温度 的变化曲线。该镁合金/镍钛记忆合金基复合材料在降温和升温过程中均只出 现一个内耗峰，内耗峰Pam和Pma分別代表B2 (母相)—B19'(马氏体相) 和B19，—B2的转变过程。图5为用于阻尼对比实验的普通多孔镍钛记忆合金 内耗值随温度的变化曲线。将实施例1和实施例4制备的复合材料阻尼能力与 普通多孔镍钕记忆合金相比，可以发现，熔渗纯镁的多孔镍钛记忆合金基复合 材料的阻尼能力高于普通多孔镍钛记忆合金，而熔渗镁合金的镍钛记忆合金基 复合材料的阻尼值略低于普通多孔镍钛记忆合金阻尼，但此时复合材料的强度 却明显高于普通多孔镍钛记忆合金。纯镁阻尼性能优良，它的引入改变了镍钛 合金基体的微观结构，镁与镍钛合金基体反应生成新的金属间化合物，使材料 内部相界面增加，这不同于普通多孔镍钛记忆合金。制备的复合材料发生相变 时，晶格软化使界面移动更易于进行，各种马氏体变体界面、马氏体/奥氏体 界面和金属间化合物界面的滞弹性迁移会使此复合材料充分耗散振动能，同时 镍钛合金基体中弥散分布的微小孔隙也对阻尼能力有附加贡献，因而熔渗纯镁 后的镍钛记忆合金基复合材料具有较好的阻尼能力。由于AZ91D镁合金中含 有铝、锌和锰等元素，这些杂质原子对相界面的移动造成钉扎作用，降低了各 种相界面的滞弹性迁移，从而导致熔渗镁合金后镍钛记忆合金基复合材料的阻 尼指略低于普通多孔镍钛记忆合金。但正是由于杂质原子的钉扎作用反而提高 了含镁合金的镍钛合金基复合材料的力学性能，使含镁合金的复合材料压缩强 度高于含纯镁的镍钛记忆合金基复合材料和普通多孔镍钛合金。
本发明选择合适的阻尼调控材料，通过改变镍钛记忆合金的微观结构来增 加其阻尼源，提高了其阻尼能力和力学性能。
权利要求
1、复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)按照镍、钛原子比为50～51％∶49～50％，将纯镍粉和纯钛粉混合均匀；(2)按照造孔剂占生坯重量百分数10～30％的比例，将其与步骤(1)所得的混合粉充分混合；(3)将步骤(2)所得粉末在室温下压制成生坯；将压制好的生坯放入惰性气体保护下的加热炉中预热0.5～1.5小时，控制温度在200～300℃，使造孔剂分解而去除；(4)按梯级加热方式升温，将坯料以10～20℃/min的速率加热至第一级梯度温度700～800℃，保温10～20分钟；然后以10～20℃/min的速率加热至第二级梯度温度950～1050℃，保温1～3小时后冷却至室温，制得孔隙均匀分布的多孔镍钛形状记忆合金；(5)用纯镁带将金属镁或镁合金与步骤(4)所得的多孔镍钛形状记忆合金整体紧密包覆后置于烧结炉中组成立式无压熔渗体系，熔渗后金属镁或镁合金占复合材料体积的20～40％。(6)将熔渗体系以10～30℃/min加热到680～750℃，在惰性气体保护下保温熔渗1～3小时，使金属镁或镁合金熔化后渗入多孔镍钛记忆合金孔隙中，制得复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料。
2、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所用纯钛粉平均粒径均为48 pm，纯镍粉平均粒径均为57 )_im。
3、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述惰性气体为氩气，其纯度高于99.99%。
4、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述加热炉为电加热管式烧结炉。
5、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述造孔剂为经过筛分后形貌规则的碳酸氢铵或尿素，粒径为100 200、 200 300、 300 450、 450 600或600 900 pm中的一种。
6、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述金属镁的纯度大于99.9%,所用镁合金为AZ91D。
7、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述金属镁或镁合金与步骤(4)所得的多孔镍钛形状记忆 合金在整体紧密包覆前还包括对其进行清洗，所述清洗是先用浓度5 10%的 NH4C1水溶液清除金属表面氧化层，然后分别在丙酮和纯水中进行超声波清 洗。
8、 根据权利要求1所述复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备 方法，其特征在于所述金属镁或镁合金位于镍钛记忆合金上部，形成立式熔渗 结 构。
全文摘要
本发明公开了一种复合型轻质高强镍钛记忆合金基高阻尼材料制备方法。本方法以粉末烧结法为基础并辅以无压熔渗技术，先采用预造孔技术，利用单元金属粉末梯级烧结法制备出孔隙均匀分布的多孔镍钛记忆合金，再采用无压熔渗技术向多孔镍钛记忆合金中引入高本征阻尼、低密度、微米尺度的纯镁或镁合金相，从而制得阻尼调控相为镁或镁合金的高阻尼镁(或镁合金)/镍钛记忆合金基复合材料。按照本发明制备的复合型镍钛合金仍具有形状记忆效应和超弹性行为，并具有比致密镍钛记忆合金质量轻、比普通多孔镍钛记忆合金更优异的强度和阻尼能力；本发明工艺适应性好，制备过程简单、成本低，可用于轻质、高强复合阻尼材料以及阻尼结构和器件的制造。
文档编号C22C1/08GK101407867SQ20081021944
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者张新平, 李大圣, 熊志鹏 申请人:华南理工大学