一种高阻尼复合金属材料的制备方法与流程

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种高阻尼复合金属材料的制备方法。


背景技术：

机械振动指机器零件或机械系统在平衡位置附近做周期性运动，它是日常生活和工程领域常见的物理现象。通常情况下，噪声伴随着振动一起出现，这二者不仅容易造成机械结构损害、机械零件寿命降低、加工时精度降低、装备隐蔽性降低，还会影响人类生产生活的舒适性。因此必须采用合适的方法进行减振降噪。阻尼材料是指具有将机械振动能转变成热能并耗散掉的特殊物理性能的一类材料。橡胶、沥青等高分子阻尼材料展现出优异的阻尼性能，但是受限于强度低和使用温度低的问题，所以其工程应用范围有限。与高分子阻尼材料相比，阻尼金属材料拥有较高的力学性能，是一类结构功能一体化的材料。在对力学性能有较高要求的工况下，阻尼金属材料则展现出不可比拟的优势，因此阻尼金属材料具有重要的工程价值和广阔的应用前景。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：本发明采用改性碳纳米管，通过其多层次、多尺度的层状结构的设计能够缓解金属基复合材料的“强韧性倒置”的矛盾，可以有效传递载荷、细化晶粒和阻碍位错的运动，最终提高复合材料的力学性能；采用三维互穿结构合金，将镁熔融浸渗镍钛合金骨架，利用镁提高材料的阻尼性，利用微观三维互穿结构实现了材料性能优势上的互补与结合。
4.技术方案：一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在15mpa～20mpa压力下压制，并在烘箱内150℃～200℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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kpa时启动加热，温度升至1500℃时保温4h～5h，此时真空保持在8.0
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kpa，待温度降至1450℃时关闭各泵组，炉内快速充入纯度＞99.999％的高纯氮气，此时温度保持在1450℃，炉内压力保持微正压，8h后停止加热使其自然冷却；步骤6：降温至100℃以下即得。优选的，所述cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:(0.2～0.5):(0.1～0.3)。优选的，所述cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm。优选的，所述改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm。
优选的，所述改性碳纳米管的制备方法：(1)将碳纳米管经过酸洗处理进行表面改性；(2)将其分散在乙醇和异丙醇的混合液中，其中，乙醇和异丙醇的体积比为1:1；(3)以cu箔作为阴极，不锈钢板作为阳极，在30v的电压之下进行沉积，得到具有层状结构基元；(4)将层状基元进行热压和热轧制处理，得改性碳纳米管。优选的，所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。优选的，所述步骤(1)中酸为浓度1％hf 20％hno3溶液。优选的，所述步骤4中热轧制条件为均匀化温度为600℃～700℃，时间为10h。有益效果：1.本发明采用热轧制，经均匀化处理后，合金的组织中晶内枝晶断裂、枝晶组织特质得到改善，大部分粗大非平衡结晶相溶入基体中，并且组织中未出现复熔共晶球等过烧特征。2.本发明采用改性碳纳米管，通过其多层次、多尺度的层状结构的设计能够缓解金属基复合材料的“强韧性倒置”的矛盾，可以有效传递载荷、细化晶粒和阻碍位错的运动，最终提高复合材料的力学性能。3.本发明采用三维互穿结构合金，将镁熔融浸渗镍钛合金骨架，利用镁提高材料的阻尼性，利用微观三维互穿结构实现了材料性能优势上的互补与结合。
具体实施方式
实施例1一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.2:0.1；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在15mpa压力下压制，并在烘箱内150℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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kpa时启动加热，温度升至1500℃时保温4h，此时真空保持在8.0
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kpa，待温度降至1450℃时关闭各泵组，炉内快速充入纯度＞99.999％的高纯氮气，此时温度保持在1450℃，炉内压力保持微正压，8h后停止加热使其自然冷却；步骤6：降温至100℃以下即得。所述改性碳纳米管的制备方法：(1)将碳纳米管经过浓度1％hf 20％hno3溶液酸洗处理进行表面改性；(2)将其分散在乙醇和异丙醇的混合液中，其中，乙醇和异丙醇的体积比为1:1；
(3)以cu箔作为阴极，不锈钢板作为阳极，在30v的电压之下进行沉积，得到具有层状结构基元；(4)将层状基元进行热压和热轧制处理，得改性碳纳米管，其中，热轧制条件为均匀化温度为600℃，时间为10h。所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。实施例2一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.2:0.2；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在15mpa压力下压制，并在烘箱内150℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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kpa，待温度降至1450℃时关闭各泵组，炉内快速充入纯度＞99.999％的高纯氮气，此时温度保持在1450℃，炉内压力保持微正压，8h后停止加热使其自然冷却；步骤6：降温至100℃以下即得。所述改性碳纳米管的制备方法：(1)将碳纳米管经过浓度1％hf 20％hno3溶液酸洗处理进行表面改性；(2)将其分散在乙醇和异丙醇的混合液中，其中，乙醇和异丙醇的体积比为1:1；(3)以cu箔作为阴极，不锈钢板作为阳极，在30v的电压之下进行沉积，得到具有层状结构基元；(4)将层状基元进行热压和热轧制处理，得改性碳纳米管，其中，热轧制条件为均匀化温度为600℃，时间为10h。所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。实施例3一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.2:0.3；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；
步骤4：用粉末压片机在15mpa压力下压制，并在烘箱内150℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。实施例5一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.3:0.2；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在17mpa压力下压制，并在烘箱内170℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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所述改性碳纳米管的制备方法：(1)将碳纳米管经过浓度1％hf 20％hno3溶液酸洗处理进行表面改性；(2)将其分散在乙醇和异丙醇的混合液中，其中，乙醇和异丙醇的体积比为1:1；(3)以cu箔作为阴极，不锈钢板作为阳极，在30v的电压之下进行沉积，得到具有层状结构基元；(4)将层状基元进行热压和热轧制处理，得改性碳纳米管，其中，热轧制条件为均匀化温度为630℃，时间为10h。所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。实施例7一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.4:0.1；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在19mpa压力下压制，并在烘箱内190℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在19mpa压力下压制，并在烘箱内190℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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匀化温度为670℃，时间为10h。所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。实施例10一种高阻尼复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管混合，得混合粉末，其中，cu粉、fe粉、ti粉、三维互穿结构合金和改性碳纳米管的重量比为：10:15:1:0.5:0.1；cu粉、fe粉、ti粉的粒径为0.1～30μm；改性碳纳米管的直径为20nm，长度为30μm；步骤2：取聚乙烯醇和水按照体积比1:2混合均匀获得粘结剂；步骤3：将粘结剂缓慢加入混合粉末中，边加边充分搅拌均匀，其中，混合粉末和粘结剂的质量体积比为20:1；步骤4：用粉末压片机在20mpa压力下压制，并在烘箱内200℃条件下烘干；步骤5：装入真空炉内，开启各泵组进行抽真空，当真空达到1.0
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kpa，待温度降至1450℃时关闭各泵组，炉内快速充入纯度＞99.999％的高纯氮气，此时温度保持在1450℃，炉内压力保持微正压，8h后停止加热使其自然冷却；步骤6：降温至100℃以下即得。所述改性碳纳米管的制备方法：(1)将碳纳米管经过浓度1％hf 20％hno3溶液酸洗处理进行表面改性；(2)将其分散在乙醇和异丙醇的混合液中，其中，乙醇和异丙醇的体积比为1:1；(3)以cu箔作为阴极，不锈钢板作为阳极，在30v的电压之下进行沉积，得到具有层状结构基元；(4)将层状基元进行热压和热轧制处理，得改性碳纳米管，其中，热轧制条件为均匀化温度为700℃，时间为10h。所述三维互穿结构合金的制备方法：(1)将镁碇熔融，取镍钛合金骨架浸渗于镁溶液中；(2)取出，获得镁-镍-钛三维互穿结构合金。采用动态机械分析仪在单悬臂梁测试模式下的强迫非共振加载方式来测定复合材料的阻尼特性。
在室温条件下采用电子万能试验机测试复合材料的力学性能。表1各实施例的力学性能指标