一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料制备及应用领域，涉及一种形状记忆合金减震装置的设计与 应用，具体是一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 精密仪器或设备由于其结构复杂，制造精细，往往对震动较为敏感，在使用、移动 或运输过程中需要采用较好的减震、防震措施，以保证其使用过程中的稳定性或在移动或 运输过程中不受破坏。目前常用的精密仪器减震装置主要有两种，一种为利用材料本身的 弹性作为减震元件，例如以橡胶垫、气垫、弹簧、泡沫塑料等作为减震材料所设计的减震装 置。另外一种为采用机电器件制成的稳定装置。由于机电器件制成的稳定装置，需要动力 机构驱动，装置复杂，对使用环境要求高。因此，目前的减震装置绝大多数仍利用材料本身 的弹性作为减震元件。相比橡胶垫等上文所列出的仅以弹性变形作为吸能减震机理的减震 材料，形状记忆合金具有如下优势：1.除弹性变形外，还能通过发生特殊的热弹性马氏体 相变吸收大量能量，具有更优的吸能减震能力；2.阻尼系数大，弹性模量高，强度高，耐热、 耐磨损、耐腐蚀性能优异；3具有自驱动、自复位功能。因此，形状记忆合金已成为一种重要 的吸能、减震材料。
[0003] 当形状记忆合金作为吸能、减震材料应用时，更高的强度和更大的超弹性均可提 高合金对外部能量的吸收能力，具有更优的吸能、减震功能。但形状记忆合金的高强度和高 超弹性往往难以同时获得，例如，单晶CU-Al-Mn合金具有10%以上的高超弹性，但其强度 低，一般在200MPa以下。而普通多晶组织Cu-Al-Mn合金强度在200MPa~400MPa之间，但 其超弹性低，一般不超过4%。目前，制备同时具有高强度和高超弹性的Cu-Al-Mn形状记忆 合金仍面临极大的挑战。
[0004] 精密仪器在使用、移动或运输过程中对置于其下部的减震装置在不同方向上具有 不同的功能需求。在铅垂方向上，要求减震装置具有良好的吸能能力，起到良好的减震、抗 震作用，保证精密仪器的不受震动干扰或损坏；而在水平方向上，要求减震装置具有一定的 减震、吸能作用的同时，具有较高的强度和刚度以防止精密仪器产生摇摆而保持稳定。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于提供一种具有功能各向异性的精密仪器设备用Cu-Al-Mn形状 记忆合金减震装置，以满足精密仪器设备用减震装置的实际需求。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下去技术方案：
[0007] -种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，所述减震装置包括：工作台、 减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，所述减震组件由多块具有强 各向异性的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板组成。
[0008] 进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板竖直放置并沿水平方向叠合。
[0009] 进一步的，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板凝固方向与铅垂方向平行。
[0010] 进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板叠合端面切齐。
[0011] 进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板上端叠合端面与所述工作台连接。
[0012] 进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板下端叠合端面与所述底座连接。
[0013] 一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置制造方法，所述方法具体步骤 如下：
[0014] 步骤1 :以纯度99. 9%以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空 熔炼方法制备预制合金，合金熔炼温度为1300°C，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均 勾的预制合金；
[0015] 步骤2 :将预制合金在1100°C重新熔化，保温20min后，浇注到底部为水冷铜模冷 却、周向保温温度为ll〇〇°C的石墨结晶器中，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，凝 固过程中的温度梯度大于TC /_ ;
[0016] 步骤3 :待合金熔体全部凝固后，随炉冷却到800°C左右时将铸锭取出水淬；
[0017] 步骤4 :将淬火后的铸锭重新加热到150°C时效30分钟后空冷或水淬；
[0018] 步骤5 :根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；
[0019] 步骤6 :将多块合金板竖直放置并沿水平方向叠合，将合金板组与工作台和底座 组合构成精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置。
[0020] 进一步的，其特征在于，所述步骤1)中各原料成分为：Al :16at. %~20at. %，Mn : 9at. % ~12at. %，其余为 Cu。
[0021] 本发明设计的减震装置除具有普通Cu基形状记忆合金减震装置价格便宜，能量 吸收能力强，耐疲劳、耐腐蚀，阻尼性能好，自复位能力优等特点外，还具有以下优点：
[0022] 1)减震装置具有功能各向异性，即在铅垂方向可提供10%以上的高可恢复应变， 阻尼性能优异，具有良好的吸能、减震功能；而在水平方向上可提供7%以上的较高可恢复 应变，起到吸能、减震作用的同时，由于板材厚向更高的强度和刚度，使减震装置具有良好 的抗倾斜、抗摇摆功能，从而使精密仪器在使用、移动或运输过程中保持稳定。
[0023] 2)柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高超弹性，平行于凝固方向的超弹性 超过10%，达到单晶水平，是普通多晶组织合金超弹性（~3%)的3倍以上。垂直凝固方 向的超弹性也超过7%，是普通多晶组织合金超弹性（~3%)的2倍以上。相比普通多晶 组织形状记忆合金制造的减震装置，本发明的减震装置具有更优的减震吸能性能。
[0024] 3)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金制成的精密仪器用减震装置可恢复应变高， 残余应变低，耐高温，持久性高，构造简单，安装拆卸方便。
[0025] 4)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金集功能性和结构性于一体，同时实现减震吸 能和支撑稳定作用，能简化设计，节约成本。
【附图说明】：
[0026] 图1为本发明精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置结构示意图；
[0027] 图2为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金金相形貌图：其中（a)平行凝固方 向截面图；(b)为垂直凝固方向截面图；
[0028] 图3为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金平行和垂直凝固方向的超弹性拉 伸应力-应变曲线图。
【具体实施方式】：
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并 不用于限定本发明，说明书中所提到的"上"、"下"皆指以图一为参照的位置，仅用于说明本 发明，并不限制本发明。
[0030] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细 节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的 描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与【具体实施方式】，对本发明进一步说明。
[0031] 如图1-3所示，一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，所述减震装置 包括：工作台、减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，所述减震组件 由多块具有强各向异性的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板组成，所述Cu-Al-Mn形状 记忆合金板竖直放置并沿水平方向叠合，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板凝固方向与铅垂 方向平行，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板叠合端面切齐，所述多个Cu-Al-Mn形状记 忆合金板上端叠合端面与所述工作台连接，用于放置精密仪器，所述多个Cu-Al-Mn形状记 忆合金板下端叠合端面与所述底座连接，所述底座可根据实际需要设计成固定式或可移动 式。利用柱状晶组织Cu-Al-Mn合金（金相照片如图2所示）沿凝固方向具有高超弹性 (10 %~18 %，超弹性应力-应变曲线如图3所示），发生应力诱导相变时能吸收大量能量 的特点，使减震装置在铅垂方向具有优异的吸能减震功能。该装置的铅垂方向的承压能力 由合金凝固方向的屈服强度决定。在水平方向上，由于柱状晶组织Cu-Al-Mn合金垂直凝固 方向具有较高超弹性（7%~9% )和更高的强度（300MPa~400MPa)和刚度（弹性模量为 19GPa~24GPa)，使减震装置具有较好的吸能、减震功能的同时，具有高阻尼性能，可防止 精密仪器产生摆动而保持稳定。
[0032] 一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置制造方法，所述方法通过组织 控制，制备出具有性能各向异性的特殊组织形状记忆合金，即在不同方向上分别获得高强 度和高超弹性，采用定向凝固方法制备的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，沿凝固方向 具有〈001>尚相变应变（反映超弹性大小）取向，无横向晶界，可获得与单晶相当的尚超 弹性（10%~18% );垂直凝固方向的取向分布于〈001>-〈011>取向之间（对应较高的相 变应变），存在横向晶界，在变形时晶界强化作用明显，因此，在该方向上具有较高的超弹性 (7%~9% )和更高的强度和刚度（垂直凝固方向的强度和弹性模量是平行方向的1. 3和 1. 5倍左右），其具体实施步骤如下：
[0033] 步骤1 :以纯度99. 9%以上的无氧铜、电解错和电解猛为原料，采用电磁感应真空 恪炼方法制备预制合金，合金成分为Al :16at. %~20at. %，Mn :9at. %~12at. %，其余为 Cu，合金熔炼温度为1300°C，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；
[0034] 步骤2 :采用定