一种Al3Ti增强Al-Zn基原位复合阻尼材料及其制备方法与流程

一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料及其制备方法。


背景技术：

2.阻尼材料的发展伴随着现代工业的进步在不断提高，如今，人们除了对机械要求高速率、高精度、高效率外，还要求机械在工作时的噪声、振动能够越小越好。传统的减振降噪措施主要是通过提高机械刚度、增加附件的方式实现，但这样会导致机械重量和设计复杂度的增加。因此人们开始研究和开发减振材料，减振材料是将振动及噪音转化成热能耗散掉，可以从源头上减轻和防止振动、噪音的影响，减振材料中的al-zn基减振阻尼合金因其减振性好、密度低、易加工、价格低等优点受到广泛关注。有研究表明：al-zn基合金的阻尼机制源于相界面滑移和晶界的粘滞性流动。合金受到外力后引起相界、晶界滑移，在滑移过程中将产生内耗。外力还会导致晶界处出现应力集中，令软相发生微观塑性变形，从而引起能量的耗散。因此增加相界面和晶界的面积能有效提高合金的阻尼性能。通过向合金中添加稀土ce等元素作为变质剂，可起到细化晶粒，增加相界面的面积，从而提高其阻尼性能的作用。
3.然而al-zn合金力学性能相对较差，尤其是其强度相对较低，这在一定程度上限制了该类合金更为广泛的应用。因此提高al-zn基合金的综合性能，特别是其力学性能对于该合金的研究开发及应用具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料及其制备方法，该复合阻尼材料可有效解决现有的阻尼材料存在的力学性能差的问题。
5.为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料，以原子百分比计，包括al 40-70 at.％、zn 40-70at.％、ce 0-1at.％、ti 0.5-10at.％。
7.进一步地，以原子百分比计，al 49.9at.％、zn 49.5at.％、ce 0.1at.％、ti 0.5 at.％。
8.进一步地，以原子百分比计，al 49.9at.％、zn 49at.％、ce 0.1at.％、ti 1at.％。
9.上述的al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)称取铝块、锌块、al-ce合金块和al-ti合金块；
11.(2)将铝块升温至750-800℃并保温，直至铝块完全熔化，向其中加入al-ti合金块，待其完全熔化后吹气除渣，保温，然后降温至630-670℃，继续向其中加入锌块，待其完全熔化后吹气除渣，保温，然后再次升温至700-750℃，向其中加入al-ce合金块，待其完全
熔化后吹气除渣，保温；
12.(3)将步骤(2)中内的金属液进行电磁搅拌并保温，然后随炉冷却至室温，得金属铸锭；
13.(4)将步骤(3)中的金属铸锭加工切割，得试样，将试样升温至400-420℃，保温1h，取出试样进行轧制，得轧制态试样；
14.(5)将轧制态试样在360-400℃下保温0-10h后进行固溶处理，然后进行水冷淬火，然后在100-200℃下保温0-10h进行时效处理，然后进行水冷淬火，制得。
15.进一步地，步骤(1)中al-ce合金块中ce的质量占比为10％，al-ti合金块中ti的占比为10％，al-ce合金块和al-ti合金块的纯度均大于99wt.％。
16.进一步地，步骤(2)中铝块以4℃/min的速度升温。
17.进一步地，步骤(2)中保温时间为20-25min。
18.本发明所产生的有益效果为：
19.1、本发明通过向al-zn-ce合金中添加ti元素，获得了一种含有al3ti金属间化合物的原位复合组织，ti元素的添加使合金组织得到细化，al3ti为硬质金属间化合物，能作为强化相存在于基体中，使得该原位复合阻尼材料在保证优异阻尼性能的条件下，其力学性能得到较为明显的提升。
20.2、本发明中通过调整ti的含量及固溶时效工艺，使得复合阻尼材料的组织、阻尼性能及力学性能得到调控与优化，进而获得综合性能优异的复合阻尼材料。
21.3、本发明中的制备方法简单，易于操作且生产成本低，具有广泛的应用前景。
附图说明
22.图1为实施例1中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的om照片；
23.图2为实施例2中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的om照片；
24.图3为对比例中al-zn基阻尼合金的om照片；
25.图4为实施例1中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的阻尼性能-应变振幅曲线；
26.图5为实施例2中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的阻尼性能-应变振幅曲线；
27.图6为对比例中al-zn基阻尼合金的阻尼性能-应变振幅曲线；
28.图7为实施例1中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的室温拉伸曲线；
29.图8为实施例2中al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料的室温拉伸曲线；
30.图9为对比例中al-zn基阻尼合金的室温拉伸曲线。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
32.实施例1
33.一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料，其制备方法包括以下步骤：
34.(1)按照49.9at.％al、49.5at.％zn、0.1at.％ce和0.5at.％ti成分配比称取单质al块、单质zn块、al-ce合金块和al-ti合金块，各原材料的纯度均大于99wt.％，al-ce合金
块中ce的质量占比为10％，al-ti合金块中ti的占比为10％；
35.(2)将铝块放入井式电阻炉的坩埚中，以4℃/分钟的升温速率将其加热到740℃下保温，直至铝块完全熔化；加入al-ti合金块，待其完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温20分钟；随后降温至660℃，加入zn块，待其完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温20分钟；再次升温至700℃，加入al-ce合金块，将其压入底部，待全部熔化后通入氩气吹气并除渣，保温25分钟；
36.(3)将步骤(2)中金属液转移至电磁搅拌炉中，开启电磁搅拌并保温10分钟；保温结束后随炉冷却至室温(当温度降至400℃时，关闭电磁搅拌)，得到所需合金铸锭；
37.(4)将步骤(3)中的合金铸锭进行电火花加工，得到尺寸约为“130mm
×
130mm
×
12mm”的试样，将上述铸态试样放入热处理炉中进行加热，当温度升至400℃时保温1小时，保温结束后取出试样，并对其进行多道次轧制(总下压量为60％)，得到所需轧制态试样；
38.(5)将步骤(4)中的轧制态试样在380℃下保温4h进行固溶处理，随后进行水冷淬火；
39.(6)将步骤(5)中的试样在150℃下保温2h进行时效处理，随后进行水冷淬火，最后得到所需的al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料。
40.采用光学金相显微镜对尺寸为10mm
×
10m
×
6mm的合金试样进行组织观察，合金组织由均匀分布的al3ti金属间化合物块，以及具有成分偏析的β枝晶构成，如图1所示。进一步分析发现在随后的冷却过程中，枝晶β相发生了β
→
α η共析转变(共析组织为细小片层结构，两相片层间距约为几百纳米)。与对比例中的共析组织相比，实施例1的共析组织中α和η的尺寸变小，晶粒得到细化；采用电子万能力学试验机对合金试样进行力学性能测试，其抗拉强度σb约为280mpa，延伸率约为18％(和对比例相比，分别提高了约4.2％和50％)，如图4所示；采用hbrv-187.5型布洛维硬度计测量的合金试样硬度约为85.24hbw(见表1，和对比例相比，提高了约7％)；采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5mm
×
1.5mm
×
50mm的合金试样进行阻尼性能测试，当应变振幅为10-3
时，其q-1
值约为0.035(和对比例相比，提高了约119％)，如图7所示。
41.实施例2
42.一种al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料，其制备方法包括以下步骤：
43.(1)按照49.9at.％al、49at.％zn、0.1at.％ce、1at.％ti成分配比称取单质al块、单质zn块、al-ce合金块和al-ti合金块，各原材料的纯度均大于99wt.％，al-ce合金块中ce的质量占比为10％，al-ti合金块中ti的占比为10％；
44.(2)将铝块放入井式电阻炉的坩埚中，以4℃/分钟的升温速率将其加热到740℃下保温，直至铝块完全熔化；加入al-ti合金块，待其完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温20分钟；随后降温至660℃，加入zn块，待其完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温20分钟；再次升温至700℃，加入al-ce合金块，将其压入底部，待全部熔化后通入氩气吹气并除渣，保温25分钟；
45.(3)将上述金属液转移至电磁搅拌炉中，开启电磁搅拌并保温10分钟；保温结束后随炉冷却至室温(当温度降至400℃时，关闭电磁搅拌)，得到所需合金铸锭；
46.(4)将步骤(3)中的合金铸锭进行电火花加工，得到尺寸约为“130mm
×
130mm
×
12mm”的试样，将上述铸态试样放入热处理炉中进行加热，当温度升至400℃时保温1小时，
保温结束后取出试样，并对其进行多道次轧制(总下压量为60％)，得到所需轧制态试样；
47.(5)将步骤(4)中的轧制态试样在380℃下保温4h进行固溶处理，随后进行水冷淬火；
48.(6)将步骤(5)中的试样在150℃下保温2h进行时效处理，随后进行水冷淬火，最后得到所需的al3ti增强al-zn基原位复合阻尼材料。
49.采用光学金相显微镜对尺寸为10mm
×
10mm
×
6mm的合金试样进行组织观察，合金组织由均匀分布的al3ti金属间化合物块，以及具有成分偏析的β枝晶构成，如图2所示。进一步分析发现在随后的冷却过程中，枝晶β相发生了β
→
α η共析转变(共析组织为细小片层结构，两相片层间距约为几百纳米)。与对比例中的共析组织相比，实施例1的共析组织中α和η的尺寸变小，晶粒得到细化；采用电子万能力学试验机对合金试样进行力学性能测试，其抗拉强度σb约为347mpa，延伸率约为19％(和对比例相比，分别提高了约26.6％和58.3％)，如图5所示；采用hbrv-187.5型布洛维硬度计测量的合金试样硬度约为91.9hbw(见表1，和对比例相比，提高了约15.4％)；采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5mm
×
1.5mm
×
50mm的合金试样进行阻尼性能测试，当应变振幅为10-3
时，其q-1
值约为0.034(和对比例相比，提高了约113％)，如图8所示。
50.对比例
51.一种al-zn基阻尼合金，其制备方法包括以下步骤：
52.(1)按照49.9at.％al、50at.％zn、0.1at.％ce成分配比称取单质al块、单质zn块和al-ce合金块，各原材料的纯度均大于99wt.％，al-ce合金块中ce的质量占比为10％；
53.(2)将铝块放入井式电阻炉的坩埚中，以4℃/分钟的升温速率将其加热到770℃下保温，直至铝块完全熔化；随后降温至660℃，加入zn块，待其完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温20分钟；再次升温至700℃，加入al-ce合金块，将其压入底部，待完全熔化后通入氩气吹气并除渣，保温25分钟；
54.(3)将上述金属液转移至电磁搅拌炉中，开启电磁搅拌并保温10分钟；保温结束后随炉冷却至室温(当温度降至400℃时，关闭电磁搅拌)，得到所需合金铸锭；
55.(4)将步骤(3)中的合金铸锭进行电火花加工，得到尺寸约为“130mm
×
130mm
×
12mm”的试样，将上述铸态试样放入热处理炉中进行加热，当温度升至400℃时保温1小时，保温结束后取出试样，并对其进行多道次轧制(总下压量为60％)，得到所需轧制态试样；
56.(5)将步骤(4)中的轧制态试样在380℃下保温4h进行固溶处理，随后进行水冷淬火；
57.(6)将步骤(5)中的试样在150℃下保温2h进行时效处理，随后进行水冷淬火，最后得到所需的al-zn-ce阻尼合金。
58.采用光学金相显微镜对尺寸为10mm
×
10mm
×
6mm的合金试样进行组织观察，合金组织主要由具有成分偏析的β枝晶构成，如图3所示。进一步分析发现在随后的冷却过程中，枝晶β相发生了β
→
α η共析转变(共析组织为细小片层结构，两相片层间距约为几百纳米)；采用电子万能力学试验机对合金试样进行力学性能测试，其抗拉强度σb约为274mpa，延伸率约为12％，如图6所示；采用hbrv-187.5型布洛维硬度计测量的合金试样硬度约为79.64hbw(见表1)；采用多功能倒扭摆内耗仪对尺寸为1.5mm
×
1.5mm
×
50mm的合金试样进行阻尼性能测试，当应变振幅为10-3
时，其q-1
值约为0.016，如图9所示。
59.表1：
60.合金硬度(hbw)实施例185.24实施例291.90对比例79.64