阅读说明：本技术 一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法 (Mussel-like Fe-Cr/Mn-Cu multilayer composite material and preparation method thereof ) 是由 胥永刚 张入伟 张松 江震 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法,制备方法包括：(1)制备Fe-Cr基合金；(2)制备Mn-Cu基合金；(3)叠层钎焊；(4)一次叠轧；(5)二次叠轧；(6)制备多层复合板材；(7)将多层复合板材在真空环境下并置于500～900℃保温1～3h,然后冷却至室温；(8)将步骤(7)所得物置于300～500℃保温0.5～5h,制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料。本发明采用贻贝的叠层结构,将Fe-Cr基合金和Mn-Cu基合金钎焊叠轧在一起,形成的仿生叠层金属复合材料的阻尼温域范围不超过500℃,强度超过250MPa。(The invention provides a mussel-like Fe-Cr/Mn-Cu multilayer composite material and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: (1) preparing Fe-Cr-based alloy; (2) preparing Mn-Cu base alloy; (3) stacking and brazing; (4) primary overlapping and rolling; (5) secondary overlapping rolling; (6) preparing a multilayer composite board; (7) placing the multilayer composite board in a vacuum environment, keeping the temperature of 500-900 ℃ for 1-3 h, and then cooling to room temperature; (8) and (3) preserving the heat of the product obtained in the step (7) at the temperature of 300-500 ℃ for 0.5-5 h to obtain the mussel-like Fe-Cr/Mn-Cu multilayer composite material. The bionic laminated metal composite material adopts a laminated structure of mussels, and the Fe-Cr-based alloy and the Mn-Cu-based alloy are brazed and laminated together, so that the damping temperature range of the formed bionic laminated metal composite material is not more than 500 ℃, and the strength of the bionic laminated metal composite material is more than 250 MPa.)

一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法。

背景技术

高阻尼叠层金属复合材料应用领域广泛，在汽车工程领域，采用该类复合材料可以降低和隔离车身振动，使车内噪声环境更舒适；在高铁领域，为了隔离车下振动噪声的传递，往往在车底地板内增加高阻尼复合材料，以降低地板振动和噪声对车内声环境的影响，提高舒适性；在航空航天领域，为了使电子仪器能够保持精密工作，往往采用高阻尼复合材料对振动进行隔离和减小。在高阻尼复合材料中，约束型阻尼复合材料(ConstrainedLayer Damping Composites，简称CLDC)因制备容易而获得广泛应用，例如汽车车身结构等。这种材料是采用粘弹性高分子材料，例如聚氨酯作为夹芯，采用铝或钛等薄板作为约束层，结合粘接或压制而制成。这种复合材料的优势在于成本低廉，制备方法简单，减振效果好。但这种阻尼复合材料的缺点是芯层与约束层之间依靠化学键连接，结合强度较低，容易出现分层脱落；而且粘弹性的芯层受玻璃化转变温度范围的限制，低温硬化和高温软化甚至熔化难以避免，导致减振温域范围通常在-100℃～100℃范围左右，且长时间工作易氧化和老化，不能适用于低温或高温环境下强冲击振动等恶劣环境。还有些高阻尼叠层金属复合材料，选用Mg合金与Al合金制备层状复合材料，通过叠轧获得。这种复合材料的优势在于原料来源容易，成本低廉，制备方法简单，减振效果好。但这类复合材料不具有仿生特征，阻尼系数小，另一个缺点是，阻尼源依靠Mg或Mg合金中的位错机制形成，阻尼机制单一。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法，可有效解决现有技术中存在的阻尼复合材料阻尼温域窄，强度小，老化，阻尼机制单一，不具有仿生特征等问题。

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：

一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Fe-Cr基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Cr 12～16％、Mo 0～4％、Al 0～5％、Si 0～3％，余量为Fe，通过真空感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在1000～1150℃条件下保温10～12h，制得Fe-Cr基合金；

(2)制备Mn-Cu基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Mn 40～70％、Al 0～5％、Fe 0～4％、Sn 0～2％、Ni 0～5％，其余为Cu，在氩气保护条件下利用感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在800～850℃条件下保温10～12h，制得Mn-Cu基合金；

(3)叠层钎焊

分别对Fe-Cr基合金和Mn-Cu基合金表面进行清洗，打磨，再按照Mn-Cu基合金在上，Fe-Cr基合金在下的方式，并把钎料置于其间进行多层交叉叠放，然后在700～900℃进行钎焊；

(4)一次叠轧

将钎焊后的叠层边缘固定，然后在压下量为10～70％，温度为室温～500℃条件下进行叠轧，叠轧速度为10-20r/min，制得复合板材；

(5)二次叠轧

将复合板材切割成均匀的两块，在真空环境下，于室温～800℃条件下进行退火处理，去应力，处理时间为1～3h，然后冷却至室温，再对其表面进行清洗，打磨去除氧化层，接着将两块复合板材进行钎焊固定，最后在压下量为10～70％，温度为室温～500℃的条件下进行叠轧，叠轧速度为10～20r/min，制得四层复合板材；

(6)继续将四层复合板材切割，重复步骤(5)，制得多层复合板材；

(7)将多层复合板材在真空环境下并置于500～900℃保温1～3h，然后冷却至室温；

(8)将步骤(7)所得物置于300～500℃保温0.5～5h，制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料。

进一步地，步骤(1)中按照以下质量百分比称取金属原料：Cr 16％、Mo 2.5％，余量为Fe，通过真空感应熔炼方法将各原料熔化，然后置于1150℃条件下保温12h，制得Fe-Cr基合金。

进一步地，步骤(2)中按照以下质量百分比称取金属原料：Mn 50％、Cu 45％、Al2％、Fe 1％、Sn 1％、Ni 1％，在氩气保护条件下利用感应熔炼方法将各原料熔化，然后置于850℃条件下保温12h，制得Mn-Cu基合金。

进一步地，步骤(4)中将钎焊后的叠层边缘固定，然后在压下量为30％，温度为200℃条件下进行叠轧，叠轧速度为20r/min，制得复合板材。

进一步地，步骤(5)中将两块复合板材进行固定，在压下量为30％，温度为200℃的条件下进行叠轧，叠轧速度为12r/min。

进一步地，步骤(7)中温度为900℃，保温时间为1h。

本发明提供的仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明制得的Mn-Cu基合金的抗拉强度达到500MPa，Fe-Cr基合金的强度超过300MPa，对这两种合金进行轧制，这两种合金金属原子与金属原子作用形成金属键方式结合，其剪切强度超过250MPa。而与本发明制得的复合材料厚度相同的以聚氨酯为芯的约束阻尼复合材料，其界面剪切强度通常在50MPa以下，原因主要是各组元材料以金属原子与高分子链形成弱化学键结合。

(2)贻贝的外壳在显微镜下由约1μm的脆性碳酸钙矿物层和10-100nm的韧性有机蛋白层堆垛而成，这种生物叠层复合材料具有很强的韧性；另一方面，这种特殊的生物叠层复合材料在不被破坏的情况下具有优异的耗散或抑制振动能量的能力。

本发明制得的Mn-Cu基合金和Fe-Cr基合金本身具有各自的阻尼机制，Mn-Cu基合金的阻尼机制为孪晶型，而Fe-Cr基合金的阻尼机制为铁磁型，两种阻尼机制在复合材料中受到振动应力作用时能够同时发挥作用，能够适应宽温域、宽幅域和宽频域的减振降噪需要。本发明就采用贻贝的这种叠层结构，将这两种合金钎焊叠轧在一起，形成的这种仿生叠层金属复合材料的阻尼温域范围最高可达500℃。而以聚氨酯为芯的约束阻尼复合材料阻尼温域范围低于100℃。

附图说明

图1为本发明轧制技术流程图。

具体实施方式

实施例1

一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Fe-Cr基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Cr 16％、Mo 2.5％，余量为Fe，通过真空感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在1150℃高温扩散12h，制得Fe-Cr基合金；

(2)制备Mn-Cu基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Mn 50％、Cu 45％、Al 2％、Fe 1％、Sn 1％、Ni 1％，在氩气保护条件下利用感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在850℃条件下固溶处理12h，制得Mn-Cu基合金；

将上述的两种组元合金片进行钎焊叠轧，得到不同组元厚度的复合材料，具体过程如下：

(3)叠层钎焊

分别将Fe-Cr基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)和Mn-Cu基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)表面用丙酮进行清洗，去除表面油脂和污渍，然后用角磨机打磨待接触面，除去其表面的氧化层，再按照Mn-Cu基合金在上，Fe-Cr基合金在下的方式，并把钎料置于其间进行多层交叉叠放，然后在800℃实现钎焊；

(4)一次叠轧

固定叠层边缘，然后在压下量为30％，温度为200℃条件下进行叠轧，叠轧速度为20r/min，以实现组元界面的牢固结合(机械结合)，制得厚度为1mm左右的复合板材；

(5)二次叠轧

将复合板材切割成均匀的两块，在真空环境下，于800℃进行退火处理，处理时间为2h，以通过元素扩散实现组元界面的冶金结合，同时消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温，再对其表面进行清洗，打磨去除氧化层，接着将两块复合板材采用钎焊进行固定，最后在压下量为30％的条件下进行强制叠轧，叠轧速度为12r/min，制得厚度为1mm左右的四层复合板材；

(6)继续将四层复合板材切割，重复步骤(5)，制得1mm厚的多层复合板材；

(7)将多层复合板材在真空环境下并置于900℃热处理1h，以消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温；

(8)将步骤(7)所得物置于马弗炉中，在450℃进行1h的时效处理，以使复合材料高阻尼性能形成，制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料。

实施例2

一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Fe-Cr基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Cr 16％、Al 2％，Si 1％，余量为Fe，通过真空感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在1100℃高温扩散12h，制得Fe-Cr基合金；

(2)制备Mn-Cu基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Mn 50％、Cu 48％、Fe 1％、Ni 1％，在氩气保护条件下利用感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在830℃条件下固溶处理12h，制得Mn-Cu基合金；

将上述的两种组元合金片进行钎焊叠轧，得到不同组元厚度的复合材料，具体过程如下：

(3)叠层钎焊

分别将Fe-Cr基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)和Mn-Cu基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)表面用丙酮进行清洗，去除表面油脂和污渍，然后用角磨机打磨待接触面，除去其表面的氧化层，再按照Mn-Cu基合金在上，Fe-Cr基合金在下的方式，并把钎料置于其间进行多层交叉叠放，然后在800℃实现钎焊；

(4)一次叠轧

固定叠层边缘，然后在压下量为30％，温度为200℃条件下进行叠轧，叠轧速度为20r/min，以实现组元界面的牢固结合(机械结合)，制得厚度为1mm左右的复合板材；

(5)二次叠轧

将复合板材切割成均匀的两块，在真空环境下，于800℃进行退火处理，处理时间为2h，以通过元素扩散实现组元界面的冶金结合，同时消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温，再对其表面进行清洗，打磨去除氧化层，接着将两块复合板材采用钎焊进行固定，最后在压下量为30％的条件下进行强制叠轧，叠轧速度为12r/min，直至制得厚度为1mm左右的四层复合板材；

(6)继续将四层复合板材切割，重复步骤(5)，直至制得1mm厚的多层复合板材；

(7)将多层复合板材在真空环境下并置于900℃热处理1h，以消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温；

(8)将步骤(7)所得物置于马弗炉中，在420℃进行1h的时效处理，以使复合材料高阻尼性能形成，制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料。

实施例3

一种仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Fe-Cr基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Cr 15％、Mo 2％、Al 2％，Si 1％，余量为Fe，通过真空感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在1180℃高温扩散12h，制得Fe-Cr基合金；

(2)制备Mn-Cu基合金

按照以下质量百分比称取金属原料：Mn 50％、Cu 47％、Al 2％、Sn 1％，在氩气保护条件下利用感应熔炼方法将各原料熔化，然后浇铸，最后置于马弗炉中，在840℃条件下固溶处理12h，制得Mn-Cu基合金；

将上述的两种组元合金片进行钎焊叠轧，得到不同组元厚度的复合材料，具体过程如下：

(3)叠层钎焊

分别将Fe-Cr基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)和Mn-Cu基合金(长宽尺寸为150×40mm，厚度为1～20mm)表面用丙酮进行清洗，去除表面油脂和污渍，然后用角磨机打磨待接触面，除去其表面的氧化层，再按照Mn-Cu基合金在上，Fe-Cr基合金在下的方式，并把钎料置于其间进行多层交叉叠放，然后在800℃实现钎焊；

(4)一次叠轧

固定叠层边缘，然后在压下量为30％，温度为200℃条件下进行叠轧，叠轧速度为20r/min，以实现组元界面的牢固结合(机械结合)，制得厚度为1mm左右的复合板材；

(5)二次叠轧

将复合板材切割成均匀的两块，在真空环境下，于800℃进行退火处理，处理时间为2h，以通过元素扩散实现组元界面的冶金结合，同时消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温，再对其表面进行清洗，打磨去除氧化层，接着将两块复合板材采用钎焊进行固定，最后在压下量为30％的条件下进行强制叠轧，叠轧速度为12r/min，直至制得厚度为1mm左右的四层复合板材；

(6)继续将四层复合板材切割，重复步骤(5)，直至制得1mm厚的多层复合板材；

(7)将多层复合板材在真空环境下并置于900℃热处理1h，以消除残余应力，使组织发生回复再结晶，然后冷却至室温；

(8)将步骤(7)所得物置于马弗炉中，在440℃进行1h的时效处理，以使复合材料高阻尼性能形成，制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料。

对实施例1制得的Mn-Cu基合金、Fe-Cr基合金的抗拉强度进行检测，检测方法参照GB/T228-2002，Mn-Cu基合金的抗拉强度达到500MPa，Fe-Cr基合金的强度超过300MPa，对这两种合金进行轧制，制得仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料，其剪切强度超过250MPa(参照GB/T6396-2008)。而与本发明制得的复合材料厚度相同的以聚氨酯为芯的约束阻尼复合材料，其界面剪切强度通常在50MPa以下。

对实施例1制得的仿贻贝型Fe-Cr/Mn-Cu多层复合材料的阻尼温域范围进行检测，检测方法参照GB/13665-2007，其检测的阻尼温域范围最高可达500℃；而以聚氨酯为芯的约束阻尼复合材料阻尼温域范围低于100℃。