一种Mn-Cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金及制备方法与流程

本发明涉及mn-cu基合金技术领域，尤其涉及一种mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金及制备方法。

背景技术：

mn-cu合金是一种典型的孪晶界弛豫型高阻尼合金，其高阻尼机制是应力作用下高密度孪晶界面的滑动。该减振合金由于减振能力高,综合性能好,制备工艺简便,且具有较好的热加工、冷加工和焊接性能等优点,已在相关减振降噪工业领域当中得到极好的认可。特别是m2052阻尼合金(mn-20cu-5ni-2fe，at％)，当应变振幅为10^-6时，阻尼值最高可达0.06，表现出良好的低应变高阻尼响应特性。同时该系列合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到200mpa、500mpa和30％。因此，作为“减振降噪功能-结构一体化”材料收到了人们的广泛关注。然而面对一些对材料比重有特定要求的应用场合，如航天航空、汽车等领域，“材料轻量化”已成为发展的必然趋势。相对而言，mn-cu合金的高比重(～7g/cm³)极大地限制了其发展。

要实现材料轻量化，最直接的方法就是采用密度低的金属材料，但另一个更大的方向则是将比重大的功能性金属材料制成多孔结构。常规的泡沫材料具有比母体致密材料更高的阻尼特性，例如泡沫铝的阻尼性能随孔隙率的提高而增加，一般比致密铝的阻尼性能高数倍至一个数量级以上，特别是最近的研究发现，纳米多孔材料具有较高的屈服强度，可以作为潜在的低密度高强材料用于制作轻质、高比强的结构件。由此可见，纳米或亚微米多孔mn-cu合金，既保留了mn-cu合金材料的高阻尼特性和优良的力学性能，又在一定程度上降低了mn-cu合金的比重。作为结构材料，具有轻质、高比强度的特点；作为功能材料，具备隔声(或吸声)、隔热(或散热)、阻燃、阻尼、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种物理性能，是一种应用前景极为广阔的新型结构与功能一体化材料。

然而目前，多孔金属的常用制备方法主要有铸造法(溶体发泡法)、粉末冶金发泡法(添加造孔剂)等。熔体发泡法则存在诸如发泡温度高、孔径大小不一、分布不均匀、工艺操作难度大等问题；粉末冶金发泡法虽具有设备和工艺简单、所制孔结构均匀、合金成分易调节等优点，然而常规的发泡剂诸如碳酸盐、金属氢化物等，属于化学发泡法，主要依靠发泡剂在高温时分解放出气体发泡造孔，热处理工艺参数一旦不合适，所制试样要么孔隙率低，要么产生塌陷，严重影响材料的微结构和宏观性能。且最大的问题是这些常规方法均无法或很难制备出具有纳米或亚微米尺度孔的多孔材料。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金及制备方法，所述高阻尼合金具有成孔均匀且孔径分布在纳米或亚微米尺寸的优点。

本发明提出的一种mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的制备方法，包括如下步骤：

s1、将mn-cu基合金经过热处理使α-mn相从合金中脱溶析出，得到亚微米或纳米α-mn析出相弥散分布在mn-cu基合金基体上的复合材料；

s2、将s1得到的复合材料经过去合金化处理使α-mn析出相去除，得到所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金。

优选地，所述mn-cu基合金为锰、铜组成的二元合金或者除锰、铜以外，还包括其他合金元素组成的多元合金，所述其他合金元素优选为铁、镍、铝、稀土元素中的至少一种。

优选地，步骤s1中，所述热处理为时效处理；优选地，将mn-cu基合金经过时效处理使α-mn相从合金中脱溶析出，所述时效处理的温度为300-700℃，时间为1-100h。

mn-cu基合金时效处理时，合金内部先发生调幅分解，逐步形成富mn和富cu微区，继续时效处理直至合金中的α-mn相脱溶析出，即发生“过时效处理”

优选地，步骤s2中，所述去合金化处理为电化学去合金化处理；优选地，将s1得到的复合材料作为工作电极，浸入腐蚀液中进行电化学腐蚀，α-mn析出相溶解于腐蚀液中，从而使α-mn析出相去除。

对复合材料进行电化学腐蚀后，去除了合金中多余的α-mn析出相，取而代之的是留下纳米或亚微米孔洞，最终得到轻质高强的纳米或亚微米尺寸的mn-cu基多孔高阻尼合金。

优选地，所述腐蚀液为浓度为0.001-0.5mol/l的酸或碱溶液，优选为hcl溶液、柠檬酸溶液、naoh溶液、h2so4和(nh4)2so4混合溶液、h2so4和mnso4混合溶液或nacl溶液，腐蚀液温度为20-90℃。

优选地，电化学腐蚀的工作电压为-0.2-0.4v，工作时间为0.5-100h。

优选地，所述mn-cu基合金是采用真空熔炼法进行熔炼得到。。

优选地，所述真空熔炼法具体包括：将原料加入中频真空感应炉中，经过抽气、预热，充氩，熔化，精炼，合金化，静置，调温，浇注，脱模，得到合金锭。

本发明还提出了一种mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金，其是通过上述制备方法制备得到。

优选地，所述亚微/纳米多孔高阻尼合金的孔隙率为50-90％，孔径尺寸为10nm-1000nm。

与现有技术相比，本发明所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金，克服了传统高阻尼mn-cu合金密度大的问题，同时可通过孔隙率及空洞周围的高密度缺陷来有效提高mn-cu合金的阻尼性能，具有轻质、高比强度的优点，未来极有可能在更广的应用领域，特别是航空航天等领域发挥其优良的减震降噪作用。

与此同时，本发明公开的该mn-cu基微纳米多孔高阻尼合金的制备方法可有效克服诸如熔体发泡法、粉末冶金法等常规多孔材料制备方法所存在的无法或较难制备纳米级或亚微米级尺度孔的问题，可高效制备出孔结构均匀且孔径分布在纳米或亚微米尺度的mn-cu基高阻尼多孔材料；同时其制备过程简单易操作，省时节能，无需昂贵模具成本，适于大规模的工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的微观结构图；

图2为本发明实施例2所制备的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的微观结构图；

图3为本发明实施例1所制备的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金在不同测量频率下的阻尼性能测试结果图；

图4为本发明实施例1所制备的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的力学性能测试结果图。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

一种mn-cu基微纳米多孔高阻尼合金，其制备方法包括：

(1)将纯金属mn、cu作为原料置于中频真空感应炉中，抽真空至10pa以下，送电预热后继续抽气，使真空度始终保持在10pa以下；抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到0.005mpa，同时以300kw的电源功率使金属原料快速熔化，熔清后以80kw的电源功率静置15min完成精炼；再以60kw的电源功率静置20min；之后将熔液温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在5min之内，得到合金锭，即合金成分为70wt％mn、30wt％cu的mn-cu基合金；

(2)将步骤(1)中得到的mn-cu基合金置于真空热处理炉中，通入氩气保护，在500℃的条件下进行时效处理2h，时效处理完成后随炉冷却，得到亚微米或纳米α-mn析出相弥散分布在mn-cu基合金基体上的复合材料；

(3)将步骤(2)得到的复合材料经砂纸打磨、抛光，再清洗处理后，将该复合材料作为电化学工作站的工作电极，与对电极(铂片)和参比电极(ag/agcl电极)一起浸泡在浓度为0.01mol/l，温度为30℃的hcl溶液中，以-0.2v电压以恒电压模式电化学腐蚀处理1h，直至电流时间曲线中电流无限趋近于零取出复合材料，再放入盛有无氧去离子水的容器中浸泡清洗，室温下真空干燥，即得到所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金。

参照图1，对上述制备得到的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的孔隙结构进行分析可知，其孔隙率高达70％；其结构为亚微米孔结构，尺寸约为100-300nm。

参照图3，对上述制备得到的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金在不同测量频率下的内耗温度谱进行分析可知，采用低频扭摆法测量，可以看出在0.5hz，1.0hz，2.0hz，4.0hz的频率下，合金的阻尼性能整体表现优良，阻尼损耗因子if随温度的升高呈规律性变化。

参照图4，对上述制备得到的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的应力应变压缩曲线进行分析可知，合金的整体力学性能表现优异。

实施例2

一种mn-cu基微纳米多孔高阻尼合金，其制备方法包括：

(1)将纯金属mn、cu作为原料置于中频真空感应炉中，抽真空至10pa以下，送电预热后继续抽气，使真空度始终保持在10pa以下；抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到0.001mpa，同时以260kw的电源功率使金属原料快速熔化，熔清后以100kw的电源功率静置10min完成精炼；将电源功率增至240kw，加入纯金属fe、al作为合金材料，熔炼8min，再以80kw的电源功率静置15min；之后将熔液温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在7min之内，得到合金锭，即合金成分为76wt％mn、16wt％cu、6wt％fe、2wt％al的mn-cu基合金；

(2)将步骤(1)中得到的mn-cu基合金置于真空热处理炉中，通入氩气保护，在700℃的条件下进行时效处理1h，时效处理完成后随炉冷却，得到亚微米或纳米α-mn析出相弥散分布在mn-cu基合金基体上的复合材料；

(3)将步骤(2)得到的复合材料经砂纸打磨、抛光，再清洗处理后，将该复合材料作为电化学工作站的工作电极，与对电极(铂片)和参比电极(ag/agcl电极)一起浸泡在浓度为0.5mol/l，温度为70℃的naoh溶液中，以0.4v电压以恒电压模式电化学腐蚀处理0.5h，直至电流时间曲线中电流无限趋近于零取出复合材料，再放入盛有无氧去离子水的容器中浸泡清洗，室温下真空干燥，即得到所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金。

参照图2，对上述制备得到的mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金的孔隙结构进行分析可知，其孔隙率高达50％；其结构为纳米孔结构，尺寸约为1-70nm。

实施例3

一种mn-cu基微纳米多孔高阻尼合金，其制备方法包括：

(1)将纯金属mn、cu作为原料置于中频真空感应炉中，抽真空至10pa以下，送电预热后继续抽气，使真空度始终保持在10pa以下；抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到0.002mpa，同时以280kw的电源功率使金属原料快速熔化，熔清后以90kw的电源功率静置10min完成精炼；将电源功率增至200kw，加入纯金属ni作为合金材料，熔炼10min，再以60kw的电源功率静置20min；之后将熔液温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在6min之内，得到合金锭，即合金成分为80wt％mn、10wt％cu、10wt％ni的mn-cu基合金；

(2)将步骤(1)中得到的mn-cu基合金置于真空热处理炉中，通入氩气保护，在300℃的条件下进行时效处理3h，时效处理完成后随炉冷却，得到亚微米或纳米α-mn析出相弥散分布在mn-cu基合金基体上的复合材料；

(3)将步骤(2)得到的复合材料经砂纸打磨、抛光，再清洗处理后，将该复合材料作为电化学工作站的工作电极，与对电极(铂片)和参比电极(ag/agcl电极)一起浸泡在浓度为0.1mol/l，温度为90℃的h2so4和(nh4)2so4混合溶液中，以0.2v电压以恒电压模式电化学腐蚀处理5h，直至电流时间曲线中电流无限趋近于零取出复合材料，再放入盛有无氧去离子水的容器中浸泡清洗，室温下真空干燥，即得到所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金。

实施例4

一种mn-cu基微纳米多孔高阻尼合金，其制备方法包括：

(1)将纯金属mn、cu作为原料置于中频真空感应炉中，抽真空至10pa以下，送电预热后继续抽气，使真空度始终保持在10pa以下；抽气结束后，向真空室内充入氩气使之压力达到0.003mpa，同时以260kw的电源功率使金属原料快速熔化，熔清后以80kw的电源功率静置15min完成精炼；将电源功率增至200kw，加入纯金属y作为合金材料，熔炼10min，再以80kw的电源功率静置15min；之后将熔液温度升高至结膜破裂，然后开始浇注，浇注时间控制在5-7min之内，得到合金锭，即合金成分为72wt％mn、15wt％cu、13wt％y的mn-cu基合金；

(2)将步骤(1)中得到的mn-cu基合金置于真空热处理炉中，通入氩气保护，在600℃的条件下进行时效处理5h，时效处理完成后随炉冷却，得到亚微米或纳米α-mn析出相弥散分布在mn-cu基合金基体上的复合材料；

(3)将步骤(2)得到的复合材料经砂纸打磨、抛光，再清洗处理后，将该复合材料作为电化学工作站的工作电极，与对电极(铂片)和参比电极(ag/agcl电极)一起浸泡在浓度为0.002mol/l，温度为50℃的柠檬酸溶液中，以-0.2v电压以恒电压模式电化学腐蚀处理10h，直至电流时间曲线中电流无限趋近于零取出复合材料，再放入盛有无氧去离子水的容器中浸泡清洗，室温下真空干燥，即得到所述mn-cu基亚微/纳米多孔高阻尼合金。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。