专利名称：孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备方法。
背景技术：
近年来，航空航天工业的发展对传统结构材料的减振功能提出了要求。火箭、卫星失效分析结果表明，约2/3的故障与振动和噪音有关。飞机在长期使用的过程中，由于振动常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹，以及空速管断裂、座舱噪音等问题，严重影响其可靠性和使用寿命。飞机上的各种仪器仪表处在振动与噪音环境中，常发生故障。机舱内的振动和噪音也严重危害人们的身心健康，是环境工程急需解决的重要课题之一。另外，潜艇和舰船的送风系统噪音大，细菌易于滋生等问题，也是环境工程急需解决的重要课题。在众多高阻尼的金属材料中形状记忆合金有着其独特的优越性。因为它们除通常具有高阻尼能力以外， 还具有其它材料所不能同时拥有的独特功能，如形状记忆效应和超弹性。基于骨骼重构和能量吸收等方面应用的考虑，多孔形状记忆合金已经引起了人们的广泛关注，并且已作为复合结构中的承载激发组元，成功应用于机翼(波音公司， 1998)、转翼、潜艇、装甲和其它武器系统之中。自1997年起，美国海军(Naval Research Laboratory，NRL)，空军(Air Force Office of Scientific Research)，航天局(NASA Langley ResearchCenter)，波音公司(Boeing)及国家科学基金委员会(National Science Foundation)等相继投入巨资，对多孔形状记忆合金的制备科学和动力学行为进行研究。另外一些国家(包括中国)也对此领域表现出了很大的兴趣，相继展开了制备及性能方面的研究。然而到目前为止，对多孔形状记忆合金的研究还仅限于TiNi合金，但TiNi合金昂贵的价格在一定程度决定了它不可能广泛应用于减震降噪的诸多领域。而与MTi合金相比， 铜基形状记忆合金价格低廉，加上其加工性能良好，同时，又能够有效的拟制细菌的繁殖， 这使得多孔铜基形状记忆合金更适宜于成为一种新型实用的高阻尼减震降噪材料。总之， 铜基多孔形状记忆合金作为一种多孔金属材料，除具有高阻尼特性以外还应具有多孔金属材料的轻质、高比强、高降噪和抑制细菌滋生等优良特性；作为一种高吸能降噪的材料，铜基多孔形状记忆合金又可望用于冲击吸能、降噪等诸多方面。多孔形状记忆合金的制备工艺主要有以下几种自蔓延高温合成法(SHS)，非密封热等静压法(CF-HIP)，火花等离子体烧结法(SPS)等。然而这些方法都无法对孔结构(包括孔隙尺寸、形状、取向、分布等)参数进行精确控制。在多孔材料中，孔结构对材料的整体性能起着非常重要的作用，为了提高样品制备的成功率、能够对孔结构参数进行准确控制以及优化材料性能，很有必要探索和发展新的制备工艺。
发明内容
本发明的目的就是提供一种孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备方法，具有孔结构参数可控、脱盐完全的特点。本发明的目的是通过下述方式实现的
本发明包括以下步骤(1) Cu-Al-Mn 合金熔炼；(2)高纯N2将Cu-Al-Mn合金熔体雾化成Cu-Al-Mn合金粉末；(3)将 NaCl 粉末筛分成；355_800 μ m、800-1000 μ m 的粒度，备用；(4)将筛分出小于75 μ m的Cu-Al-Mn合金粉与；355_800 μ m或800-1000 μ m的粒度NaCl粉加入无水酒精均勻混合；(5)真空热压烧结将(4)步中的混合粉末装入真空热压机的石墨模中，抽真空至10_2_10_3Pa，然后升温至180-220°C除酒精，随后升温至750-790°C进行热压烧结，热压压强为25_30Mpa，形成 Cu-Al-Mn合金与NaCl的复合初坯；(6)高温烧结及蒸发脱盐在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至900-990°C，保温16_38h，将 NaCl完全蒸发去除，形成多孔材料热压坯锭；(7)在氩气气氛保护条件下将多孔材料热压坯锭固熔淬火，获得多孔CuAlMn形状
记忆合金。所述(5)步中热压时间优选为2_4h。所述( 中将上述Cu-Al-Mn合金熔体过热到U80_1320°C，浇入雾化装置中，用大于3MPa高纯队气通过雾化器进行雾化。所述(3)中NaCl筛分前的可对NaCl先进行制备，制备步骤为，将分析纯的NaCl 粉末溶入蒸馏水后，在烘干箱中烘干至恒重，经反复碾压破碎后，筛分。所述(7)的步骤为在氩气气氛保护条件下将热压坯锭加热至750-820°C保温 5-15分钟，并淬入水中，获得多孔CuAlMn形状记忆合金。该合金不但孔隙率可控，孔隙尺寸、形状、分布、取向等结构参数均可通过其制备工艺实现精确控制；此外，该合金还具有强度高、吸能大等特点。而该制备方法的优势在于对热压成型及蒸发脱盐两个过程的有效控制，通过热压成型促使孔隙取向一致，通过蒸发脱盐确保NaCl以蒸汽的形式完全脱除，从而消除了残余NaCl对基体金属的腐蚀作用，这也是该方法可以制备闭孔材料的关键所在。现有的脱除NaCl的技术中，主要采用坯锭制成后，在流动的水中进行脱除NaCl 的处理，这种方法要想彻底清除NaCl，则需要很长的时间，这一方导致水资源的浪费，另一方容易导致坯锭的氧化，降低其力学性能，本发明的方法省却了坯锭制成后利用水进行长时间脱NaCl的工序，可节省大量水资源、同时避免了在水中脱NaCl时造成的坯锭的氧化， NaCl脱除的彻底、完全。孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金，合金成分为A1 :10. 0-12. Owt%, Mn 2. 0-4. Owt %，余量为Cu和不可避免的杂质；开孔孔隙率范围为50% -85%，孔隙形状尺寸与所用造孔剂(片状NaCl)颗粒形状尺寸一致，片状孔隙呈定向排列且分布均勻。利用该技术还可制备出闭孔多孔CuAlMn形状记忆合金，孔隙率范围为0 % -20%，孔隙分布均勻。孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的具体的制备方法，主要包括(1) Cu-Al-Mn 合金熔炼
以电解铜(纯度99. 99 % )和Cu-Al、Cu-Mn中间合金为原料，将电解铜烘干后在中频感应电炉中熔化，熔化温度1150°C -1250°C，熔体用高纯队气保护，按最终合金成分的比例加入Cu-Al及Cu-Mn中间合金，熔勻后形成所需成分的Cu-Al-Mn合金熔体；(2)高纯N2气雾化Cu-Al-Mn合金粉将上述Cu-Al-Mn合金熔体过热到U80_1320°C，浇入雾化装置中，用大于3MPa 高纯队气通过雾化器将Cu-Al-Mn合金熔体雾化成Cu-Al-Mn合金粉末。为防止雾化中 Cu-Al-Mn合金在雾滴状态表面氧化，应事先在雾化筒内充满高纯队气，雾化时要控制雾化筒内为微正压；(3)片状NaCl粉末制备为得到不同粒度范围的片状NaCl粉末，将分析纯的NaCl粉末(ΙΟΟμπι左右， 正方体)溶入蒸馏水中达到饱和，随后在烘干箱中烘干至恒重以实现再结晶，粗大的再结晶颗粒会覆盖在圆柱形烧杯的内表面，经反复碾压破碎后，筛分选取35-5800μπι及 800-1000 μ m两种不同粒度以备使用； (4) Cu-Al-Mn合金粉与NaCl粉均勻混合将筛分出小于75飽的Cu-Al-Mn合金粉与；355-800 μ m或800-1000 μ m粒度的NaCl 粉混合，放入“V”型混料机中，加入适量无水酒精，充分混合30分钟后形成均勻的混合粉末；无水酒精的加入可以使粉末形成“湿粉”，从而在混合过程中粒度相对较小的Cu-Al-Mn 合金粉末会均勻吸附在粒度相对较大的NaCl粉末表面；(5)真空热压烧结将上述混合料装入真空热压机的石墨模中，抽真空至KT2-IO-3Pa,先升温至200°C 保温lh，以除去混合粉末中残留的无水酒精，随后升温至780°C (NaCl熔点为801°C )后进行热压烧结，热压烧结时间为池，热压压强25-28Mpa，此时将形成Cu-Al-Mn合金与NaCl的复合初坯。高温下Cu-Al-Mn合金粉末易于变形，随着混合粉末不断收缩致密化，未熔化的片状NaCl粉末会在单向压力的作用下不断旋转，最终，片状NaCl按垂直于热压方向呈定向排列；(6)高温烧结及蒸发脱盐在真空热压机中，将压力完全卸载后，并继续升温至990°C (基体合金熔点为 1030°C )，保温Mh。NaCl在高于801 °C时便熔化，但熔体在紧密配合的石墨模中无法流出， 当温度继续升高，NaCl熔体的饱和蒸汽压迅速攀升，在990°C时达到922. 8pa，远高于热压炉的真空度10_2-10_3Pa，NaCl蒸汽源源不断地被抽出直至完全去除。与此同时，在接近熔点的温度下长时间烧结，Cu-Al-Mn基体扩散充分，金属框架强度进一步提高。随炉冷却后形成多孔CuAlMn形状记忆合金热压坯锭；(7)固熔淬火在氩气气氛保护条件下将热压坯锭加热至800°C保温20分钟，并淬入水中，使 CuAlMn基体在室温下为马氏体态。综上所述，本发明的方法可以对孔结构(包括孔隙尺寸、形状、取向、分布等)参数进行精确控制，由本发明方法得到的合金具有强度高，吸能大，孔隙率高，而且省却了坯锭制成后利用水进行长时间脱NaCl的工序，这样一方面节省了水资源、避免了在水中脱NaCl 时造成的坯锭的氧化，同时使NaCl脱除的彻底、完全等优点。
图1 本发明工艺流程示意2 本发明合金热压锭外观，其中(a)开孔CuAlMn热压锭，(b)闭孔CuAlMn热
压锭图3 本发明合金体视金相，其中(a)开孔CuAlMn横切面，(b)开孔CuAlMn纵截图4 本发明合金金相图片，其中(a)开孔CuAlMn横切面，(b)开孔CuAlMn纵截面，(c)闭孔CuAlMn横切面，(d)闭孔CuAlMn纵截面
具体实施例方式实施例1 合金成分为 Cu-11. 9A1-2. 5Mn(wt% )，取 800-1000 μ m 粒度的 NaCl， CuAlMn与NaCl按质量比为2 1充分混合，按“发明内容”中所描述的方法制成Φ70的热压坯锭，测量热压前后样品质量确定脱盐完全如否，线切割成所需试验样品。本实施例热压坯锭的外观形貌见图2(a)，其体视金相见图3(a)、(b)，金相图片见图4 (a)、(b)。可见本实施例合金孔隙呈片状，定向排列，分布均勻，孔隙形状尺寸与所用NaCl形状尺寸一致，本实施例多孔CuAlMn形状记忆合金孔结构及性能数据如表1所示。表1本实施例多孔CuAlMn形状记忆合金孔结构及性能数据
权利要求
1.1、一种孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)Cu-Al-Mn合金熔炼；(2)高纯N2将Cu-Al-Mn合金熔体雾化成Cu-Al-Mn合金粉末；(3)将NaCl粉末筛分成355-800μ m、800-1000 μ m的粒度，备用；(4)将筛分出小于75μ m的Cu-Al-Mn合金粉与355-800 μ m或800-1000 μ m的粒度 NaCl粉加入无水酒精均勻混合；(5)真空热压烧结将(4)步中的混合粉末装入真空热压机的石墨模中，抽真空至10-2-10-3Pa，然后升温至180-220°C除酒精，随后升温至750-790 ？进行热压烧结，热压压强为25_30Mpa，热压时间2-6小时形成Cu-Al-Mn合金粉末与NaCl的复合初坯；(6)高温烧结及蒸发脱盐在真空热压机中，将压力完全卸载，并继续升温至900-990°C，保温16-3 ，将NaCl完全蒸发去除，形成多孔材料的热压坯锭；(7)在氩气气氛保护条件下将多孔材料热压坯锭固溶、淬火，获得多孔CuAlMn形状记忆合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述( 步中热压时间为2-4h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述O)中将上述Cu-Al-Mn合金熔体过热到U80-1320°C，浇入雾化装置中，用大于3MPa高纯N2气通过雾化器进行雾化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(3)中NaCl筛分前对NaCl先进行制备，制备步骤为，将分析纯的NaCl粉末溶入蒸馏水后，在烘干箱中烘干至恒重，经反复碾压破碎后，筛分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述(7)的步骤为在氩气气氛保护条件下将热压坯锭加热至750-820°C保温5-15分钟，并淬入水中，获得多孔CuAlMn形状记忆合 金。
全文摘要
孔结构参数可控的多孔CuAlMn形状记忆合金的制备方法。包括Cu-Al-Mn合金熔炼、高纯N2气雾化制备Cu-Al-Mn合金粉末、片状NaCl粉末制备、Cu-Al-Mn合金粉与NaCl粉均匀混合、真空热压烧结、高温烧结及蒸发脱盐、固熔淬火。本发明提供的多孔CuAlMn形状记忆合金孔隙定向排列且分布均匀、抗压强度高、吸能大。作为一种高吸能和抑制细菌滋生的材料，可望用于冲击吸能及防护已及空调送风系统的降噪等诸多方面。本发明提供的制备方法能制备开孔及闭孔多孔金属材料，具有孔结构参数可控、脱盐完全等优点。
文档编号C22C9/01GK102191394SQ20091030945
公开日2011年9月21日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者李周, 肖柱, 胡琳娜, 雷前, 龚深 申请人:中南大学