一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，涉及高阻尼性能的锰铜基合金制备方法技术领域。本发明专利技术包括原料制备和高阻尼锰铜合金制备，原料制备包括以下步骤：合金元素按重量百分配比为：Mn:70

【技术实现步骤摘要】
一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于高阻尼性能的锰铜基合金制备方法
，特别是涉及一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]频率在100赫兹以下的低频噪音与人类脏腑的固有频率接近而容易引起共振，对人的健康危害最大。常年在低频噪音的影响下，会导致心脏、肺、脾、肾、肝等受到不可逆的损害。采用Mn
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Cu基阻尼合金来设计制造构件可以阻断振动源，通过材料的内部机制将机械振动能量不可逆地转变为热能消耗在材料内部，从而具有良好的减振降噪效果。
[0003]专利CN201210491359.4公开了一种铸造高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，用以解决锰铜合金阻尼性能不稳定的技术问题，但由于该合金加入较多的稀土和碱土元素，合金制备过程复杂、成本较高。专利CN201810335193.4公开了一种铸造高阻尼锰铜合金材料及其制造方法，利用磁场磁制动效应改善宏观偏析，细化凝固树枝晶状组织，所专利技术的阻尼材料组织致密，阻尼性能(Tanδ)可达0.049。专利CN202110313373.4公开了一种定向凝固制备超高阻尼Mn
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Cu合金的方法，合金在
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70℃至
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20℃附近具有超高孪晶弛豫内耗(Tanδ>0.1)，大幅提高了合金的阻尼性能，但常温阻尼性能较低，仅为0.02
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0.04。专利CN202110552536.4公开一种宽温区服役的高阻尼锰铜合金及其制备方法，合金经定向凝固制备后再予以时效热处理，制造流程较为复杂。
[0004]众所周知，振动和噪声的传递往往具有矢量特性，即具有方向性。一般而言，对于合金的普通定向凝固过程，随着凝固过程抽拉速率的增加，合金凝固所需的时间会大大缩短，生产效率也大幅提高，但合金的(200)晶体取向会越来越占优。然而Mn
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Cu基合金的微观组织主要是{011}孪晶，孪晶界在外力作用下的弛豫运动会消耗合金内部的能量，这是Mn基合金高阻尼性能的主要来源。同时锰铜基合金的阻尼能力还可以来源于位错运动，Mn
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Cu基合金的位错滑移面为(111)、滑移方向[110]。利用常规定向凝固过程获得的(200)晶体取向无论对孪晶还是位错均极为不利。如果我们利用强磁场通过控制凝固过程形成既有利于孪晶运动，又有益于位错滑移的(111)取向，那么所制备合金的阻尼性能将得到大幅提升。
[0005]进一步而言，反铁磁γ
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Mn的自旋方向沿c轴，在c面内自旋相互平行，而相邻c面内自旋相互反平行。单位晶胞内不同原子面的磁矩并不相同，单位晶胞内(111)面具有八分之一的剩余磁矩而(200)面的磁矩相互抵消。如果获得(111)晶面取向占优，通过特殊合金化可以诱导磁子有序化，从而进一步提高合金阻尼性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，以解决了现有的问题：现有技术阻尼合金制备过程中阻尼合金成分复杂、制备工艺流程较长，生产效率较低的缺陷。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术为一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，包括原料制备和高阻尼锰铜合金制备，所述原料制备包括以下步骤：
[0009]合金元素按重量百分配比为：Mn:70
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75wt.％、Cu:15
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20wt.％、Ni:6
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10wt.％、Fe:1.5
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2.5wt.％和其他不可避免的杂质，然后将原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250
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1450℃保温30
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60min，从而得到母合金铸锭。
[0010]本专利技术上述强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金的各化学元素的设计原理为：
[0011]Mn：构成γ
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Mn相晶体点阵的主要元素，直接影响反铁磁相变温度以及磁有序化。在凝固过程中以非均匀形核核心首先析出，形成枝晶状富Mn区，Mn含量过高时，易使铸造性能变差同时合金变脆，过低时反铁磁相变温度变低，阻尼性能较差；宜优选采用含量70
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75wt.％。
[0012]Cu：和Mn一起形成固溶体，在凝固过程中在先析出的富Mn枝晶间聚集形成富Cu区，为了使得在高温凝固过程中富Mn区和富Cu区都生成单一的γ
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Mn，宜采用含量15
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20wt.％。
[0013]Ni：作为高熔点元素调节高温熔体粘度，可和Mn形成γ相，完全固溶于Mn
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Cu合金晶格，主要聚集于富Cu区，在强磁场作用下主要改变富铜区γ相凝固组织的取向，从而影响磁有序化，过低时磁场调控效果不明显，过高性能变差，宜采用含量6
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10wt.％。
[0014]Fe：作为高熔点元素调节高温熔体粘度，在Mn
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Cu合金中完全固溶于γ相中,主要聚集于富Mn区,在强磁场作用下改变富Mn区γ相的凝固组织取向，从而影响磁有序化,Fe含量过高时阻尼性能变差，过低时磁场调控的效果不明显，宜采用含量1.5
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2.5wt.％。
[0015]进一步地，所述高阻尼锰铜合金制备包括以下步骤：
[0016]步骤一：准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga
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In
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Sn冷却池，将制备的铸态锰铜基合金放入空心刚玉管中，利用定向凝固炉对合金进行定向凝固；
[0017]步骤二：准备稳恒强磁场，在整个定向凝固炉的炉体外部施加一个磁场强度为1
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10T的稳恒强磁场；
[0018]步骤三：将装有锰铜基合金的刚玉管送到加热熔化区，待合金达到熔点1150
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1250℃以上温度，保温10
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30min，使合金充分熔化(合金的加热
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熔化过程受到稳恒强磁场影响)；
[0019]步骤四：以80
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120μm/s的抽拉速度将合金往下拉入淬火池(合金的凝固过程受到稳恒强磁场影响)，得到强磁场定向凝固锰铜基合金。
[0020]由于高温熔体状态下Fe和Mn、Ni和Cu的亲和力更强从而分别分布于富Mn的枝晶干和富铜的枝晶间，枝晶晶体的生长取向在强静磁场的作用下得到调控，从而获得(111)取向占优的定向凝固γ相锰铜合金，Ni、Fe为铁磁性元素，而Mn、Cu为顺磁性元素，在反铁磁转变之后，由于铁磁性元素Ni、Fe的交互作用，富Mn的枝晶干和富铜的枝晶间均可发生磁有序化从而大幅提高阻尼性能。
[0021]进一步地，所述高阻尼锰铜合金具有(111)晶面择优取向。
[0022]进一步地，所述高阻尼锰铜合金用于...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，包括原料制备和高阻尼锰铜合金制备，其特征在于：所述原料制备包括以下步骤：合金元素按重量百分配比为：Mn:70
‑
75wt.％、Cu:15
‑
20wt.％、Ni:6
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10wt.％、Fe:1.5
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2.5wt.％和其他不可避免的杂质，然后将原料放在坩埚中，置于真空感应熔炼炉内熔化，期间通入氩气保护气氛，感应加热到1250
‑
1450℃保温30
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60min，从而得到母合金铸锭。2.根据权利要求1所述的一种强磁场下定向凝固高阻尼锰铜合金材料及其制备方法，其特征在于：所述高阻尼锰铜合金制备包括以下步骤：步骤一：准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga
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In
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Sn冷却池，将制备的铸态锰铜基合金放入空心刚玉管中，利用定向凝固炉对合金进行定向凝固；步骤二：准备稳恒强磁场，在整个定向凝固炉的炉体外部施加一个磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：田青超，张思斌，任忠鸣，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：