一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金的制作方法
【专利摘要】一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，其特征为：将原材料按Zn25-26wt%、Al3.5-4wt%、复合添加剂0.2-1.0wt%、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。待材料全部熔化后，升温至1280-1300℃浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。经过退火、锻打、轧制成宽200mm、厚0.35mm、长度不限的片材。最后进行热处理：即830-850℃保温2小时淬入室温机油中，然后放入沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温。制作耗能器所用的片状铜锌铝形状记忆合金尺寸为：900mm×2.24mm×0.35mm，对其制备的两层框架结构耗能器进行振动耗能性能测试。
【专利说明】一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金
【技术领域】
[0001] 本发明属于铜基形状记忆合金制备【技术领域】，特指一种用于制备两层框架结构耗 能器的铜锌铝形状记忆合金。
【背景技术】
[0002] 耗能器是在结构中设置的专门耗能装置或元件，利用耗能装置或耗能元件来消耗 振动输入结构中的能量，以减少主体结构的振动反应，从而减轻结构在振动中的破坏，达到 抗震减振的目的。耗能装置或耗能元件的耗能性能的好坏直接决定着结构的抗振减震效 果。而要成为高效、经济、可靠实用的耗能器，必须满足如下条件：（1)具有良好的吸收振动 能量的能力；（2)具有良好的变形跟踪能力；（3)具有足够的初始刚度；（4)具有优良的耐 久性，能长期保其初始性能；（5)结构简单，施工方便，价格低廉。而目前所用的耗能器主要 是由软钢制作，该类耗能器具有较好的耗能能力和变形跟踪能力，且结构简单、安装方便等 优点，但却具有不能反复使用等缺点。而形状记忆合金由于具有形状记忆效应，相变超弹性 和高阻尼等很多普通金属所没有的特殊性能，使得其在结构控制应用中的研究备受亲睐。 形状记忆合金用于结构振动控制具有很多优势：（1)由于形状记忆合金是集"感知"与"驱 动"于一体的新型功能材料，从而可以实现控制系统的微型化；（2)采用马氏体状态合金制 作的耗能器不受温度以外的其他环境条件影响，可以在一些特殊的场合下使用；（3)与普 通耗能器相比，形状记忆合金耗能器可以多次反复使用。当前有关形状记忆合金耗能器的 研究主要集中于NiTi合金上，NiTi合金昂贵的价格、复杂的熔炼工艺，且形状比较单一，主 要以丝状为主，严重地限制了它在民用建筑结构的中推广使用。因而研制价格低廉、多种形 状的CuZnAl合金耗能器势在必行。
[0003] 本发明开发出一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金。
【发明内容】
[0004] 本发明开发出一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，其特 征为：以电解铜、锌锭0号、工业铝锭A00号、复合添加剂(其中：Ni8?12wt%、Ti8?12 wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb4 ?6wt%、 Nd4 ?6wt%、Pr2 ?4wt%、B2 ?4wt%、余为Cu。）为原料，即Zn25_26wt%、A13. 5_4wt%、复 合添加剂0. 2-1.Owt%、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先 加入预热过的电解铜、锌锭、铝锭、复合添加剂，熔化期间要加入合金重量〇. 2%的硼砂。待 材料全部熔化后，升温至1280-1300°C浇注成直径为（j5 80X150mm的铸锭。退火处理是加热 到820-840°C保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，将铸锭在820-840°C 保温2小时后锻打成40X40mm的棒材，在800-650°C将棒材轧制成宽150mm、厚1mm、长度 不限的板材，再进行室温下冷轧，最终轧制成宽200 _、厚0.35 _、长度不限的片材。最后 进行热处理：油淬加时效，即830-850°C保温2小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的 沸水中保温〇. 5小时后取出空冷至室温。
[0005] 两层框架结构耗能器如图1所示。用剪板机将铜锌铝形状记忆合金片材进行加 工，制作耗能器所用的片状铜锌铝形状记忆合金尺寸为：900_X2. 24_X0. 35_，图1中 框架为钢结构，交叉线为铜锌铝形状记忆合金，从而成为耗能器。框架结构振动时，单层内 以对角线两端点的相对位移最大，在实际工程应用中，在此两端点间安装铜锌铝形状记忆 合金，从而形成如图1中所示的耗能器，4个立方块为4个各20kg的质量块。试验中仅考虑 框架结构的一维振动，即只分析框架结构沿宽度方向振动时的振动衰减特性，为防止沿框 架结构厚度方向的振动，框架结构的厚度设计为350_，同时电阻应变片式传感器粘贴在框 架底层立柱的根部(沿宽度方向粘贴)，用来监测框架沿其宽度方向的振动。利用电阻应变 片和YDS-1型动态数据采集分析仪测量空框架结构的振动衰减特性，未装CuZnAl形状记忆 合金耗能器的框架结构衰减曲线如图2所示。试验时，按图1所示将合金耗能器装在框架 上，在框架顶部沿框架宽度方向施加少量初位移，然后释放让框架振动至衰减结束，记录其 振动曲线。当结构再次振动时，耗能器再次发挥作用，记录每次重复振动的衰减曲线。
[0006]
【专利附图】
【附图说明】 图1安装铜锌铝形状记忆合金的两层框架结构耗能器示意图（单位_) 图2未装铜锌铝形状记忆合金的普通两层钢结构框架示意图（单位mm) 图3安装铁丝的两层框架结构耗能器示意图(单位mm) 图4安装铜锌铝形状记忆合金两层框架结构耗能器的振动衰减曲线与频谱曲线 上是振动衰减曲线，下是与频谱曲线 图5未装铜锌铝形状记忆合金的普通两层钢结构框架振动衰减曲线与频谱曲线 上是振动衰减曲线，下是与频谱曲线 图6安装铁丝的两层框架结构耗能器振动1次的情况 图7安装铁丝的两层框架结构耗能器振动2次的情况 图8安装铁丝的两层框架结构耗能器振动5次的情况 图9安装铜锌铝形状记忆合金的两层框架结构耗能器振动1次的情况 图10安装铜锌铝形状记忆合金的两层框架结构耗能器振动5次的情况 图11安装铜锌铝形状记忆合金的两层框架结构耗能器振动10次的情况 图6 -图11给出了铁丝和铜锌铝形状记忆合金耗能器减振的衰减效果的比较。铁丝 的前2次振动导致变形尚在其弹性范围之内，所以能够起到增加结构整体刚度，提高结构 阻尼，加速振动衰减的作用，但是到了第5次振动时，铁丝"松弛"，超出弹性回复范围发生 永久塑性变形。此时，在同样的初始约束下，铁丝不再能够起到增加结构刚度的作用，也就 不再能够减振。图6-图8示意了铁丝耗能器经历了数次循环的减振情况。而铜锌铝形状 记忆合金耗能器使用多次以后，减振效果并未减退。因为该铜锌铝形状记忆合金的相变点 为70°C。由于材料的相变点高于室温，为拟塑性状态，所以每次振动过后需要给材料加热 再冷却，进行正逆马氏体相变各一次，以便于材料恢复马氏体状态弹性范围以外的变形。很 明显，铜锌铝形状记忆合金材料的重复使用性很好，多次使用后仍然有良好的减振效果。图 9 一 11示意了铜锌铝形状记忆合金耗能器其循环使用1次、5次、10次以后良好的减振性 能。
[0007]
【具体实施方式】 实施例1 以电解铜、锌锭0号、工业铝锭A00号、复合添加剂(其中：Ni8?12wt%、Ti8?12wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb4 ?6wt%、 Nd4 ?6wt%、Pr2 ?4wt%、B2 ?4wt%、余为Cu。）为原料，即Zn25_26wt%、A13. 5_4wt%、复 合添加剂0. 2-1.Owt%、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先 加入预热过的电解铜、锌锭、铝锭、复合添加剂，熔化期间要加入合金重量〇. 2%的硼砂。待 材料全部熔化后，升温至1280-1300°C浇注成直径为（j5 80X150mm的铸锭。退火处理是加热 到820-840°C保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，将铸锭在820-840°C 保温2小时后锻打成40X40mm的棒材，在800-650°C将棒材轧制成宽150mm、厚1mm、长 度不限的板材，再进行室温下冷轧，最终轧制成宽200 _、厚0.35_、长度不限的片材。最 后进行热处理：油淬加时效，即830-850°C保温2小时淬入室温机油中，然后在预先准备好 的沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温。两层框架结构耗能器如图1所示。用剪板机将 铜锌铝形状记忆合金片材进行加工，制作耗能器所用的片状铜锌铝形状记忆合金尺寸为： 900_X2. 24_X0. 3_，图1中框架为钢结构，交叉线为铜锌错形状记忆合金，从而成为铜 锌铝形状记忆合金耗能器。框架结构振动时，单层内以对角线两端点的相对位移最大，在实 际工程应用中，在此两端点间安装铜锌铝形状记忆合金，从而形成如图1中所示的耗能器， 4个立方块为4个各20kg的质量块。试验中仅考虑框架结构的一维振动，即只分析框架结 构沿宽度方向振动时的振动衰减特性，为防止沿框架结构厚度方向的振动，框架结构的厚 度设计为350mm，同时电阻应变片式传感器粘贴在框架底层立柱的根部(沿宽度方向粘贴)， 用来监测框架沿其宽度方向的振动。利用电阻应变片和YDS-1型动态数据采集分析仪测量 空框架结构的振动衰减特性。试验时，按图1所示将铜锌铝形状记忆合金装在框架上形成 耗能器，在框架顶部沿框架宽度方向施加少量初位移，然后释放让框架振动至衰减结束，其 结果如图4所示，从图4中看出衰减速度很快，并见表1。同时记录1次至10次振动的情 况。
[0008] 对比例1 图2中未装铜锌铝形状记忆合金的普通两层钢结构框架，框架结构振动时，单层内以 对角线两端点的相对位移最大，在实际工程应用中，4个立方块为4个各20kg的质量块。试 验中仅考虑框架结构的一维振动，即只分析框架结构沿宽度方向振动时的振动衰减特性， 为防止沿框架结构厚度方向的振动，框架结构的厚度设计为350_，同时电阻应变片式传感 器粘贴在框架底层立柱的根部(沿宽度方向粘贴)，用来监测框架沿其宽度方向的振动。利 用电阻应变片和YDS-1型动态数据采集分析仪测量空框架结构的振动衰减特性。试验时， 在框架顶部沿框架宽度方向施加少量初位移，然后释放让框架振动至衰减结束，其结果如 图5所示，从图5中看出衰减速度很慢，并见表1。
[0009] 对比例2 图3中框架为钢结构，交叉线为铁丝，铁丝尺寸为（MmmX900mm(这样截面积与铜锌铝 形状记忆合金基本相同)，从而成为普通铁丝耗能器。框架结构振动时，单层内以对角线两 端点的相对位移最大，在实际工程应用中，在此两端点间安装铁丝，从而形成耗能器，4个立 方块为4个各20kg的质量块。试验中仅考虑框架结构的一维振动，即只分析框架结构沿宽 度方向振动时的振动衰减特性，为防止沿框架结构厚度方向的振动，框架结构的厚度设计 为350mm，同时电阻应变片式传感器粘贴在框架底层立柱的根部(沿宽度方向粘贴)，用来监 测框架沿其宽度方向的振动。利用电阻应变片和YDS-1型动态数据采集分析仪测量空框架 结构的振动衰减特性。试验时，按图1所示将安装铁丝的两层框架结构耗能器，在框架顶部 沿框架宽度方向施加少量初位移，然后释放让框架振动至衰减结束。
[0010] 表1未装和安装铜锌铝形状记忆合金耗能器框架振动的对比
【权利要求】
1. 一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，其特征为：以电解铜、 锌锭0号、工业铝锭A00号、复合添加剂：Ni8?12 wt%、Ti8?12 wt%、Ce7?10wt%、 La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb 4 ?6wt%、Nd 4 ?6wt%、Pr 2 ? 4wt%、B2 ?4wt%、余为 Cu ;为原料，即 Zn25-26wt%、A13. 5-4wt%、复合添加剂 0? 2-1. Owt%、 余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼；熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、 锌锭、铝锭、复合添加剂，熔化期间要加入合金重量〇. 2%的硼砂；待材料全部熔化后，升温 至1280-1300°C浇注成直径为（t80X 150mm的铸锭；退火处理是加热到820-840°C保温24 小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，将铸锭在820-840°C保温2小时后锻打成 40X40mm的棒材，在800_650°C将棒材乳制成宽150 mm、厚1 mm、长度不限的板材，再进行 室温下冷轧，最终轧制成宽200 mm、厚0.3 5mm、长度不限的片材；最后进行热处理：油淬加 时效，即830-850°C保温2小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的沸水中保温0. 5小时 后取出空冷至室温；做成两层框架结构耗能器，用剪板机将铜锌铝形状记忆合金片材进行 加工，制作耗能器所用的片状铜锌铝形状记忆合金尺寸为：900mmX2. 24mmX0. 35mm，框架 为钢结构，交叉线为铜锌铝形状记忆合金，从而成为耗能器；框架结构振动时，单层内以对 角线两端点的相对位移最大，在实际工程应用中，在此两端点间安装铜锌铝形状记忆合金 形成交叉线，从而制成耗能器，4个立方块为4个各20kg的质量块；试验中仅考虑框架结构 的一维振动，即只分析框架结构沿宽度方向振动时的振动衰减特性，为防止沿框架结构厚 度方向的振动，框架结构的厚度设计为350_，同时电阻应变片式传感器粘贴在框架底层立 柱的根部，沿宽度方向粘贴，用来监测框架沿其宽度方向的振动；利用电阻应变片和YDS-1 型动态数据采集分析仪测量空框架结构的振动衰减特性。
2. 根据权利要求1所述一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，成 分为Zn25-26wt%、A13. 5-4wt%、复合添加剂0? 2-1. Owt%、余量是Cu时，该记忆合金耗能效果 显著、耗能效果稳定，能有效提高耗能器的使用寿命。
3. 根据权利要求1所述一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，复 合添加剂为 Ni8 ?12 wt%、Ti8 ?12 wt%、Ce7 ?10wt%、La7 ?10wt%、V6 ?9wt%、 Ba6 ?9wt%、Zr5 ?7wt%、Tb 4 ?6wt%、Nd 4 ?6wt%、Pr 2 ?4wt%、B2 ?4wt%、余为 Cu时，制作的铜锌铝形状记忆合金耗能效果显著、耗能效果稳定，能有效提高耗能器的使用 寿命。
4. 根据权利要求1所述一种用于制备两层框架结构耗能器的铜锌铝形状记忆合金，油 淬加时效，即830-850°C保温2小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的沸水中保温0. 5 小时后取出空冷至室温，该记忆合金耗能效果显著、耗能效果稳定，能有效提高耗能器的使 用寿命。
【文档编号】C22C9/04GK104342576SQ201310333966
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月4日 优先权日:2013年8月4日
【发明者】李晓薇, 刘光磊, 张志敏, 杨嵩, 齐克尧 申请人:镇江忆诺唯记忆合金有限公司