金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方法
专利汇可以提供金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及阻尼技术，具体地说是一种金属包覆多孔形状记忆 合金 阻尼 复合材料 的制备方法。它先通过燃烧合成技术制备多孔形状 记忆合金 ，再用压 力 铸造 工艺将金属包覆在多孔形状记忆合金基体上，具体工艺为：1)制备多孔形状记忆合金：取形状记忆合金原始粉末，配比混合，制成坯料；再置于加热炉中预热；点燃坯料，合成多孔形状记忆合金；2)处理多孔形状记忆合金： 机械加工 成所需形状和尺寸；进行清洗；3)金属包覆：熔炼包覆用金属合金；清理 压铸 模具；将步骤2处理过的多孔形状记忆合金放置在模具中；合模；将包覆用合金浇入压铸模中压铸；即可。本发明阻尼复合材料具有阻尼性能优、 密度 小、力学性能好等特点。，下面是金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方法专利的具体信息内容。
1.一种金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方法，其特征在于： 取形状记忆合金原始粉末，先通过燃烧合成技术制备多孔形状记忆合金，再用 压力铸造工艺将金属包覆在多孔形状记忆合金基体上，具体工艺如下：
1)制备多孔形状记忆合金：
(1)取形状记忆合金原始粉末，按等原子比配置；
(2)将粉末均匀地混合，并制成具有35～65％原始孔隙度的坯料；
(3)将坯料置于加热炉中，并在惰性气体气氛的保护下进行预热；
(4)当坯料达到最小点火温度、且低于700℃温度时，采用外热源点燃坯 料的一端，燃烧波自发地蔓延到另一端，从而合成多孔形状记忆合金；
2)处理多孔形状记忆合金：
(1)将所述多孔形状记忆合金机械加工成所需形状和尺寸；
(2)进行清洗；
3)金属包覆：
(1)熔炼包覆用金属合金；
(2)清理压铸模具，并喷刷涂料；
(3)将步骤2)处理过的多孔形状记忆合金放置在模具中；
(4)合模；
(5)将熔融的包覆用合金浇入压铸模中进行压铸；
(6)待压铸件凝固后，打开压铸模，取出铸件，得具有致密外包金属防护 层的多孔形状记忆合金阻尼复合材料。
2.按照权利要求1所述金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方 法，其特征在于：对所述产品在步骤3)后加步骤4)进行铸件的表面精处理： 打磨去除铸件上的毛刺和飞边；或者再经过简单的表面机械加工。
3.按照权利要求1所述金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复合材料的制备方 法，其特征在于：所述形状记忆合金为镍钛形状记忆合金。
技术领域
本发明涉及阻尼技术，具体地说是一种金属包覆多孔形状记忆合金阻尼复 合材料的制备方法。
背景技术
在工业上一般采用以下方法控制振动和噪声：1)增加重量，提高构件 刚度，减小振动和振幅，即把机器整体做成非常结实笨重的刚体化结构，但 在多数情况下，特别是要求轻量化和高速旋转的场合，上述作法是不可能实 施的；2)抑制共振引起的大振幅的发生，避免共振的方法，只对单一频率 或只有一、二个振源的场合，才有明显的效果。实际上的振源多具有宽的频 带；3)安装减振装置(如空气减振器等)，这必然导致结构复杂化而受到各 种限制；4)采用阻尼合金来制备振动件或吸音件来起到减振效果，但这项 研究和应用也面临着高成本、阻尼效果有限或受其它因素(如温度)影响较 大等问题；5)采用多孔的吸声材料，做成屏蔽罩，把振源包围起来，也可 达到阻止声音泄露和传播的目的，但当振源体积很大时，屏蔽难以实现。总 之，上述方法在现代工业中应用都存在局限性(文献2：赵秦生，胡海南主 编，新材料与新能源，北京：轻工业出版社，1987)。
从材料的角度而言，随着材料阻尼的增加，其刚度总会下降。这时，具有 高强度、高刚度、高阻尼的复合材料是最佳选择。目前，阻尼功能复合材料主 要有聚合物基和金属基阻尼功能复合材料以及金属与聚合物叠层阻尼功能复合 材料三种，其性能、工艺等方面的比较见表1。
表1 阻尼功能复合材料的分类及其工艺、性能的比较 阻尼功能复合材料 聚合物基阻尼 功能复合材料 金属基阻尼 功能复合材料 金属与聚合物叠层 阻尼功能复合材料 特点 一般以高阻尼聚合物 作为基体，以高弹性 模量的纤维为增强体 一般采用高阻尼 金属基体或高阻 尼增强物(如纤 维或颗粒) 具有夹芯阻 尼层结构 主要阻尼机制 基体滞后阻尼 基体位错阻尼 界面阻尼 聚合物滞后阻尼 主要制备工艺 熔融浸渗法 热压成形法 固相扩散结合法 熔融金属浸渗法 铸造法 滚涂法 热辊压法 性能比较 阻尼性能好 密度小 力学性能差 工作温度低 易老化失效 力学性能好 工作温度高 阻尼性能较差 密度大 工作温度高 阻尼性能较好 密度较小 界面结合力差 工作温度低 聚合物易老化失效 代表例 尼龙/氯丁橡胶 聚酯/氯丁橡胶 C/Zn-Al SiCP/Al 芳纶纤维增强铝合 金层压板(ARALL)
多孔材料具有密度小、孔隙率高、比面积大的结构特征，因而多孔材料具 有高的阻尼性能，并在能量吸收的应用领域中发挥了关键性作用。例如在汽车 的防震系统采用多孔金属制成的元件；另外可以通过选择多孔材料的密度而使 弹性模量在很大的范围内变化，这就可以协调多孔部件的共振频率，用这种方 法可抑制有害的振动(文献3：唐群、毛昌辉摘译，多孔金属，有色与稀有金 属国外动态，1994(21)：1；文献4：许庆彦、陈玉勇、李庆春，多孔铝合金 的铸造工艺研究，材料工程与工艺，1998(3)：36)。但是大部分多孔材料在 孔隙度大于50％时强度较低。相对普通致密态制品来说，其耐蚀性、机械性能、 焊接性能较差。
另外，形状记忆合金是利用应力或温度诱发相变的机理来实现形状记忆功 能的一类材料。由于形状记忆合金中的热弹性马氏体相变的自协调和热弹性马 氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)的滞弹性迁移，形状记 忆合金会吸收能量而具有很好的阻尼特性(文献5：杨大智主编，智能材料与 智能系统，天津：天津大学出版社，2000)。
目前，将多孔材料的良好阻尼性能与形状记忆合金的热弹性马氏体相变所 产生的阻尼效果有机结合起来、并包覆金属防护层的阻尼复合材料未见报道。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明取形状记忆合金原始粉末，先通过燃烧合成技术制备多孔形状记忆 合金，再用压力铸造工艺将金属包覆在多孔形状记忆合金基体上；
具体工艺如下：
1.制备多孔形状记忆合金：
1)取形状记忆合金原始粉末，按近等原子比配置；
2)将粉末均匀地混合，并制成具有35～65％原始孔隙度的坯料；
3)将坯料置于加热炉中，并在惰性气体气氛的保护下进行预热；
4)当坯料达到最小点火温度、且低于700℃温度时，采用外热源点燃坯料 的一端，燃烧波自发地蔓延到另一端，从而合成多孔形状记忆合金；
2.处理多孔形状记忆合金：
1)将所述多孔形状记忆合金机械加工成所需形状(可以是棒状、板状、 块状或其它不规则形状)和尺寸；
2)进行清洗；
3.金属包覆：
1)熔炼包覆用金属合金；
2)清理压铸模具，并喷刷涂料；
3)将步骤2处理过的多孔形状记忆合金放置在模具中；
4)合模；
5)将熔融的包覆用合金浇入压铸模中进行压铸；
6)待压铸件凝固后，打开压铸模，取出铸件，得具有致密外包金属防护 层的多孔形状记忆合金阻尼复合材料。
本发明所述产品可进行铸件的表面精处理：打磨去除铸件上的毛刺和飞 边；或者再经过简单的表面机械加工。
与传统的多孔材料相比，采用本发明方法制备的金属包覆多孔形状记忆合 金阻尼复合材料具有以下优点：
1.阻尼性能好。本发明结合燃烧合成技术与压力铸造工艺来制备阻尼复 合材料，将具有高阻尼特性的多孔材料与可发生热弹性马氏体相变的形状记忆 合金有机地结合起来，特别是在热弹性马氏体状态下使用，可极大地提高材料 的阻尼性能。
2.可焊接性的改善。在现有技术中，无论是非金属多孔材料，还是金属 多孔材料都难与其它金属零件进行焊接，这就限制了多孔材料的使用范围。采 用本发明将多孔材料表面包覆一层金属外衣后，由于一定厚度的致密金属的存 在，进而可以与其它金属件进行焊接；另外，这种阻尼复合材料的可焊性也使 多孔材料不能做成很大的屏蔽材料的问题得到解决。
3.机械性能的提高。本发明使产品附有金属外衣，与现有技术中单一多孔 材料不能在剧烈摩擦条件下使用的情形相比，本发明制备的产品在具有良好的阻 尼效果的同时，机械性能大大提高。由于摩擦力是作用在金属外衣表面，就不会 造成内部多孔材料的崩溃，从而提高多孔材料的耐磨性。另外，相对于多孔材料 而言，金属外衣的存在弥补了多孔材料在强度、韧性等机械力学方面的弱点，使 本发明阻尼复合材料具有很高的损坏容许限度。
4.改善了多孔材料的耐腐蚀性。现有技术中多孔材料的孔洞的存在使多 孔材料极易吸附各种外来介质，如油污、灰尘等，影响了多孔材料的使用。采 用本发明将其加上金属外衣后，可以有效地杜绝该类问题的发生。只要在外层 金属可以容忍的任何恶劣环境条件下，均可以使用本发明阻尼复合材料。另外， 本发明制备的阻尼复合材料无老化失效问题。
5.提高耐高温性能。由于现有技术中多孔材料的大量孔洞的存在，有时 即使在低于其熔点的高温下也会发生软塌等问题，本发明的金属外衣会避免这 一问题，有效地提高多孔材料的使用温度。而且，与其它应用高分子聚合物基 的阻尼复合材料相比，本发明阻尼复合材料的工作温度优点是相当明显的。
6.密度小。与致密态金属合金或复合材料相比，本发明阻尼复合材料具 有低密度的优势。特别是本发明通过调整多孔材料的孔隙率以及多孔材料占复 合材料中的比例，可进一步减轻本发明阻尼复合材料的质量。
7.工艺简单、易于实现工业生产化。由于燃烧合成技术和压力铸造工艺 的特点，决定了本发明的生产，工艺简单，易于实现，流程短、周期短、成本 低，并易于实现批量化生产，无环境污染、安全性较好。
8.具有广泛的适用性。一方面，多孔材料的形状和尺寸可以是多样化的， 根据产品的形状大小、对产品阻尼特性的要求，本发明可以将多孔材料加工成 棒状、板状、块状或是其它任何不规则形状，并设计相应的模具，通过压力铸 造工艺实现多孔芯阻尼复合材料；而且，无论是包覆金属的厚度、多孔材料的 孔隙率，还是包覆金属的材质都是可以根据需要进行相应的调节，即增加了产 品的多样性。另一方面，根据压力铸造工艺高压、高速的特点，一般来说，只 要多孔材料的熔点不低于金属外衣的熔点或浇铸温度，那么，就可以采用压力 铸造工艺来制备这种多孔芯阻尼复合材料。
附图说明
图1为本发明一个实施例采用燃烧合成法制备的多孔镍钛形状记忆合金样 品的横向和纵向宏观照片，a为横向截面图；b为纵向截面图。
图2为本发明一个实施例燃烧合成法制备的多孔镍钛形状记忆合金的孔隙 形貌扫描电镜照片。
图3为本发明一个实施例燃烧合成法制备的多孔镍钛形状记忆合金的X射 线衍射图谱。
图4为本发明一个实施例多孔镍钛形状记忆合金外包DA-01铸造铝合金的 复合材料试样件的横截面示意图。
图5为本发明一个实施例多孔镍钛形状记忆合金与外包压铸铝合金界面处 的金相照片。
图6为本发明一个实施例多孔镍钛形状记忆合金的差式扫描量热法曲线图。
具体实施方式
实施例1
采用工业用纯镍粉(平均粒度为4μm)和钛粉(平均粒度为44μm)，按 等原子比配料；充分混合24小时后，制成原始孔隙度为(50±2)％的坯料， 坯料尺寸为φ25×150mm2；在纯度为99.99％的工业纯氩气氛的保护下，放 入工业用电炉中预热；当坯料的预热温度达到300℃时，采用通电加热的钨 丝点燃坯料，一经点燃，燃烧波则自发地蔓延下去，在30秒内合成出多孔 镍钛形状记忆合金。
本实施例多孔镍钛形状记忆合金孔隙分布均匀，具有三维连通的网状孔隙结 构(如图1和图2所示)。在本实施例中，多孔镍钛形状记忆合金的孔隙度为58％ 左右，平均孔隙尺寸为300μm左右，开孔率大于90％。所合成的多孔合金样品的 X射线衍射图谱如图3所示，表明合金中有TiNi奥氏体相(B2)、TiNi马氏体相 (B19’)、Ti2Ni相、TiNi3相，无纯钛和纯镍相，化合反应完全。
然后，将燃烧合成好的多孔镍钛形状记忆合金切割成如图1(a)所示的φ 22.5mm的圆柱体坯料，经超声振荡洗涤、晾干；熔炼包覆用铝合金；清理压 铸模具，并喷刷涂料；将多孔坯料放入处理好的压铸模中，合模；将熔融铝合 金浇入J1112B，1250KN卧式冷室压铸机铸模中进行快速压铸。压铸参数如下：
压射力：150KN；
液压顶出力：100KN；
管路工作压力：12MPa；
压铸合金(即多孔镍钛形状记忆合金的包覆金属)为DA-01铸造铝合金(相 当于美国的ADC12合金，而且该合金也是一种复相型阻尼减振合金)。待压铸件 凝固后，打开压铸模，取出铸件，得到φ30mm的具有致密外包金属防护层的多 孔形状记忆合金复合材料，由于其具有良好的阻尼特性，属阻尼复合材料。
采用线切割剖开压铸件，车削并经砂纸打磨后即可得到如图4所示的试样 件。由图4和图5可见，在本实施例单侧铝合金渗入深度最深可达9mm，铝合 金不仅在外面紧紧地包裹住多孔材料，而且由于镍钛形状记忆合金孔洞的不规 则性与三通性，铝合金沿孔隙渗入到多孔材料内部，并与多孔镍钛形状记忆合 金相互钩抱在一起。另外，铝合金与多孔镍钛形状记忆合金之间结合处致密， 未见有裂纹等缺陷出现，这显然对提高它们之间的结合力大有帮助。
参见图6，在70℃以下时多孔镍钛形状记忆合金处于马氏体状态，合金将 具有良好的阻尼效果。
比较例1
本发明与现有技术中致密态等原子比镍钛形状记忆合金相比，本发明实施 例1中多孔镍钛形状记忆合金的密度为2.6g/mm3左右，而致密态等原子比镍钛 形状记忆合金的密度为6.44g/mm3，单位体积的重量是本发明多孔材料的2.5 倍左右；由于内部孔洞的存在，本发明所制备的多孔形状记忆合金阻尼复合材 料的吸声特性优于致密态等原子比镍钛形状记忆合金。
比较例2
与其它不具备形状记忆效应的多孔材料相比，本发明所得产品，在70℃以下 时，多孔镍钛形状记忆合金显然可以依靠热弹性马氏体相转变吸收能量来提高材 料的阻尼特性，而不具备热弹性马氏体转变的多孔材料则不具备这种优势。
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