阅读说明：本技术 一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法 (A kind of preparation method of high-intensity high-damping CuAlMn marmem ) 是由 王清周 焦志娴 刘亚飞 牛浩源 崔春翔 殷福星 张建军 姚畅 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法,涉及用熔炼法使用母(中间)合金制造有色金属合金,是一种槽型轧制的工艺,步骤是：将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为830℃～880℃的箱式炉中固溶处理12～17分钟；然后送入槽型轧制机的轧辊之间,沿该合金长度方向进行1～8道次的槽型轧制,最后一道次轧制结束后,再在同一轧槽中进行一次槽型轧制,然后将该合金样品置入0℃～27℃的水中进行淬火处理,由此制得高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金,克服了现有技术制得的CuAlMn形状记忆合金所存在的微区疏松、孔洞和偏析的铸造缺陷。(A kind of preparation method of high-intensity high-damping CuAlMn marmem of the present invention, it is related to manufacturing non-ferrous alloy using female (centre) alloy with smelting process, it is a kind of technique of groove profile rolling, step is: solution treatment 12~17 minutes in the batch-type furnace for being 830 DEG C~880 DEG C by the merging temperature of CuAlMn raw shape memory alloy made from CN105568019B；It is then fed between the roll of groove profile roll mill, the groove profile rolling of 1~8 passage is carried out along the alloy length direction, after last passes, a groove profile rolling is carried out in same groove again, then the alloy sample is placed in 0 DEG C~27 DEG C of water and is quenched, thus the Cu-11.9Al-2.5Mn marmem of high-intensity high-damping is made, overcomes loose microcell present in CuAlMn marmem made from the prior art, hole and the casting flaw of segregation.)

一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法

技术领域

本发明的技术方案涉及用熔炼法使用母(中间)合金制造有色金属合金，具体地说是一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法。

背景技术

CuAlMn形状记忆合金作为一种全新的功能材料，不仅价格低廉加工性能好，而且具有高的阻尼本领和优良的形状记忆效应，是从源头上解决现代工业及生产和生活中各种设备及器械振动和噪音问题的最佳备选材料之一，其在军事与民用的各个领域都有着十分广泛的应用前景。然而，该类合金目前仍存在因晶粒粗大而导致的易发生沿晶断裂和力学性能偏低的不足。因此，通过必要手段使其细化晶粒，以拓宽CuAlMn形状记忆合金的应用范畴已迫在眉睫。

截至目前为止，人们用于金属材料晶粒细化的主要手段包括快速凝固法、孕育剂细化法、粉末冶金法、形变热处理法、以及机械振动和超声振荡法。其中，孕育剂细化法因具有简单易操作、细化效果较其他方法更为明显，且所制备产品具有不受尺寸的限制的优点而成为了最为常用的一种晶粒细化的方法。CN105568019B公开了一种CuAlMn形状记忆合金晶粒的细化方法，是利用孕育剂Cu₅₁Zr₁₄的变质细化作用对CuAlMn形状记忆合金的晶粒进行细化；而CN107916348B公开了细晶CuAlMn形状记忆合金的制备方法，是通过新型的Al基LaScB孕育剂对CuAlMn形状记忆合金的晶粒进行细化。然而利用以上现有技术所制得的CuAlMn形状记忆合金仍然存在微区疏松、孔洞和成分偏析的铸造缺陷。CN103421981A公开了高阻尼形状记忆合金，是通过在CuAlMn形状记忆合金中添加微量元素Ni、Ti、Co以及稀土元素Ce、Gd、Y，并调整其添加量来达到细化组织，提高材料的强度、稳定性、耐腐蚀性、耐疲劳性和超弹性等力学性能的目的，然而该技术同样亦未提出消除CuAlMn形状记忆合金铸造缺陷的具体技术方案。CN102758097B公开了一种低铝高锰CuAlMn低温记忆合金，该技术系为满足低温使用需求而披露了一种低温形状记忆合金的制备技术，所制得合金并不满足于对减振降噪的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，提出了一种槽型轧制的工艺方法，克服了现有技术CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金所存在的微区疏松、孔洞和偏析的铸造缺陷，使得现有CuAlMn形状记忆合金的力学性能和阻尼性能获得显著提高。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，是一种槽型轧制的工艺，具体步骤如下：

第一步，固溶处理：

将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为830℃～880℃的箱式炉中固溶处理12～17分钟；

第二步，槽型轧制与淬火处理：

将上述第一步固溶处理后的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金从箱式炉中取出，送入槽型轧制机的轧辊之间，沿该合金长度方向进行1～8道次的槽型轧制，该合金样品总变形量为20％～80％，最后一道次轧制结束后，再在同一轧槽中进行一次槽型轧制，然后将该合金样品置入0℃～27℃的水中进行淬火处理，由此制得高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金。

上述一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，所述槽型轧制期间，当每进行3道次轧制之后回炉保温5～8分钟。

上述一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，所述制得的高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金，其抗拉强度最高达到1015.92MPa，阻尼最高达到0.03987。

上述一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法，所涉及的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料和设备是本技术领域公知的，所涉及的操作方法是本技术领域的技术人员能够掌握的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明一种高强度高阻尼CuAlMn形状记忆合金的制备方法所具有突出的实质性特点和显著进步如下：

(1)本发明引入了槽型轧制的工艺，CuAlMn形状记忆合金样品在高温形变过程中，会发生动态的回复与再结晶，使得已经孕育剂细化过的CuAlMn形状记忆合金的组织和晶粒变得更加细小。并且，CuAlMn形状记忆合金样品在槽型轧制过程中从各个方向均匀受力，大的塑性变形量和高的热轧温度会使得CuAlMn形状记忆合金样品内部的显微裂纹和疏松得以愈合，从而有效消除了铸造缺陷，获得了高的致密度，具有明显的增强基体的作用。

(2)本发明方法除了上述通过槽型轧制工艺使得现有技术CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金所存在的微区疏松、孔洞和偏析的铸造缺陷消除、晶粒得到更有效的细化而提高其强度外，在槽型轧制过程中随着槽型轧制温度的降低，随之析出的细小的第二相颗粒还能够对晶界产生钉扎作用，抑制再结晶晶粒的长大，提高CuAlMn形状记忆合金的热稳定性和力学性能，同时亦能够在基体中起到弥散强化的作用，从而使得CuAlMn形状记忆合金的力学性能获得进一步的提高，最终使得CuAlMn形状记忆合金的抗拉强度最高达到1015.92MPa，远高于CN105568019B技术所制备CuAlMn形状记忆合金的最高为721.14MPa的抗拉强度，获得预料不到的技术效果。

(3)本发明方法中已孕育剂细化的CuAlMn形状记忆合金的晶粒、组织的进一步显著细化以及轧制过程中弥散细小的第二相的析出，能够显著增加界面的数量，包括马氏体间界面和孪晶界面、相转变过程中马氏体相与母相间界面以及第二相颗粒与基体间的界面。这些界面在外加交变载荷下均能高效地消耗能量，从而使得CuAlMn形状记忆合金具有高的阻尼能力。采用本发明方法制得的CuAlMn形状记忆合金在室温附近的阻尼值最高达到0.03978，其明显高于CN105568019A披露技术所制备CuAlMn形状记忆合金的最高为0.0264的阻尼值。本发明方法使得CuAlMn形状记忆合金的力学性能与阻尼性能同时获得了显著提高，因而本发明所制备的CuAlMn形状记忆合金具有更为重要的工程应用价值。

(4)本发明方法的工艺及设备简单，成本低，易于实现规模化生产。

(5)“CN105568019B一种CuAlMn形状记忆合金晶粒的细化方法”和“CN107916348B细晶CuAlMn形状记忆合金的制备方法”是本发明发明人团队早先的专利技术，它们虽通过添加孕育剂的方式实现了CuAlMn形状记忆合金晶粒的细化，但是这些技术使用的都是传统的铸造的工艺，而铸造工艺必将会产生微区疏松、孔洞和偏析等铸造缺陷，这对于合金性能的提高有着严重的影响，因此想要实现CuAlMn形状记忆合金综合性能的进一步提高，需要采用新的工艺技术消除铸造缺陷，以此解决铸造工艺所带来的不利影响。本领域消除铸造缺陷的传统工艺为热轧，然而对于以阻尼和强度提高为目的的孕育细化合金通常却不采用该工艺，因为热轧中的动态再结晶很有可能会造成已细化晶粒的再次粗化。为了克服在实践应用中上述方法制得的CuAlMn形状记忆合金所存在的具有微区疏松、孔洞和偏析的铸造缺陷，本发明发明人团队经过近两年的艰辛实验和研发，终于创新出引入了槽型轧制的工艺，即在孕育细化的基础上，对CuAlMn形状记忆合金采用了槽型轧制的工艺，使得合金各方向均匀受力，并通过大量的艰苦实验最终确定了合适的固溶温度与时间、槽型轧制的道次与总变形量、多道次轧制后及时回炉保温与保温的时间、最后一道次轧制后再在同一轧槽中进行一次槽型轧制、以及槽轧完后直接进行淬火处理以及处理的温度等工艺方法与参数，最终使得合金的晶粒不但未粗化反而获得了进一步的细化，克服了现有技术制得的CuAlMn形状记忆合金所存在的微区疏松、孔洞和偏析的铸造缺陷，使得现有CuAlMn形状记忆合金的力学性能和阻尼性能获得显著提高。在现有技术CN105568019B和CN107916348B的基础上结合本领域的公知常识或常规技术手段来获得现在的本发明的技术方案绝不是本领域技术人员轻而易举就能得到的。

另外，本发明取得了预料不到的技术效果：本发明的发明人团队发现，对CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金进行槽型轧制后，不但晶粒变得更加细小，铸造缺陷得到了有效的消除，而且合金基体内还析出了细小的第二相颗粒，这些颗粒能够钉扎晶界和抑制再结晶晶粒的长大，同时在基体中起到弥散强化的作用，从而使得CuAlMn形状记忆合金的热稳定性、力学性能获得了进一步的提高，同时这些第二相颗粒还能够显著增加界面的数量，从而使得CuAlMn形状记忆合金的阻尼能力获得了进一步的提高。

(6)CN109112349A“一种CuAlMn形状记忆合金及其制备方法”的目的是为了提供一种能够制备大尺寸单晶或具有明显晶体学择优取向的CuAlMn形状记忆合金及其制备方法。即通过增大CuAlMn形状记忆合金的晶粒尺寸提高其性能。而本发明所提供技术方案是通过降低晶粒尺寸同时消除铸造缺陷而提高其性能，因此技术手段完全相反，两者存在本质的不同。

(7)CN101713036A“高强度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形状记忆合金及加工工艺”所涉及产品为TiNi基形状记忆合金，其与本发明所涉及产品具有本质的不同。另外，CN101713036A所披露技术系采用合理的制备及热处理工艺,使得马氏体组织区域增大，同时在基体中形成很多弥散的富Nb颗粒,利用其对基体的分割作用增大界面阻尼从而提高材料的阻尼性能；同时通过Nb、Mo的加入起到固溶强化和沉淀强化的作用而起到提高材料强度的作用。然而本发明专利所披露技术是在晶粒细化基础上通过消除铸造缺陷而达到提高阻尼和强度的效果，因此两者提高强度与阻尼的手段与机理完全不同。

另外CN101713036A所制得产品的力学性能与阻尼性能均明显低于本发明所制得的产品，如CN101713036A所制得产品的断裂强度大于800MPa，Tanδ大于0.015(室温阻尼值均不高于0.02)，而本发明所制得产品的该两项性能分别为大于1000MPa和大于0.039。

本发明方法也适用于其他Cu基形状记忆合金力学及阻尼性能的提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为实施例1～7所制得的各个CuAlMn形状记忆合金的金相照片，其中：

图1(a)为实施例1所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(b)为实施例2所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(c)为实施例3所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(d)为实施例4所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(e)为实施例5所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(f)为实施例6所制得的CuAlMn形状记忆合金的垂直于轧制方向的金相照片；

图1(g)为实施例7所制得的CuAlMn形状记忆合金的金相照片；

图1(h)为实施例6所制得的CuAlMn形状记忆合金的平行于轧制方向的金相照片；

图2为实施例5所制得的CuAlMn形状记忆合金的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例为对比实施例。

第一步，固溶处理：

将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为850℃的箱式炉中固溶处理15分钟；

第二步，淬火处理：

将上述第一步固溶处理后的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金从箱式炉中取出，然后置入27℃的水中进行淬火处理，由此制得Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金。

图1(a)为本实施例1所制得的经850℃固溶处理15分钟和淬火态的垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#1CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(a)可见，本对比实施例制得的CuAlMn形状记忆合金呈现颗粒分明、尺寸大小均匀的等轴晶，但是，其存在铸造缺陷，不利于CuAlMn形状记忆合金的力学性能和阻尼性能的提高。

实施例2

第一步，固溶处理：

将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为830℃的箱式炉中固溶处理17分钟；

第二步，槽型轧制与淬火处理：

将上述第一步固溶处理后的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金从箱式炉中取出，送入槽型轧制机的轧辊之间，沿该合金长度方向进行8道次的槽型轧制，在槽型轧制期间，在第3道次槽型轧制、第6道次槽型轧制结束后各回炉保温8分钟，该合金样品总变形量为80％，最后一道次轧制结束后，再在同一轧槽中进行一次槽型轧制，然后将该合金样品置入0℃的水中进行淬火处理，由此制得高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金。

图1(b)为本实施例2所制得的经830℃固溶处理17分钟后进行8道次槽型轧制、淬火态、总变形量为80％和垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#2CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(b)可见，本实施例2制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒细、铸造缺陷少。

实施例3

第一步，固溶处理：

将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为850℃的箱式炉中固溶处理15分钟；

第二步，槽型轧制与淬火处理：

将上述第一步固溶处理后的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金从箱式炉中取出，送入槽型轧制机的轧辊之间，沿该合金长度方向进行1道次的槽型轧制，该合金样品总变形量为20％，之后再在同一轧槽中进行一次槽型轧制，然后将该合金样品置入27℃的水中进行淬火处理，由此制得高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金。

图1(c)为本实施例3所制得的经850℃固溶处理15分钟后进行1道次槽型轧制、淬火态、总变形量为20％和垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#3CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(c)可见，本实施例3制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒发生一定程度的挤压变形，且比对比实施例1所制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒更细、铸造缺陷更少。

实施例4

本实施例4除了第二步中将样品沿长度方向进行3道次的槽型轧制，该合金样品总变形量为40％之外，其他均同于实施例3。

图1(d)为本实施例4所制得的经850℃固溶处理15分钟后进行3道次槽型轧制、淬火态、总变形量为40％和垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#4CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(d)可见，本实施例4制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒挤压变形量比实施例3所制得的CuAlMn形状记忆合金的挤压变形量加大，且比实施例3所制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒更细、铸造缺陷更少。

实施例5

本实施例5除了第二步中将样品沿长度方向进行5道次的槽型轧制，该合金样品总变形量为60％，在第3道次槽型轧制结束后回炉保温5分钟外，其他均同于实施例3。

图1(e)为实施例5所制得的经850℃固溶处理15分钟后进行5道次槽型轧制、淬火态、总变形量为60％和垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#5CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(e)可见，本实施例5制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒挤压变形量进一步加大，且比实施例4所制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒更细、铸造缺陷更少。图2为本实施例5所制得的CuAlMn形状记忆合金的扫描电镜照片，由图2可见，该合金样品在槽型轧制过程中，随着温度的降低，有细小弥散的第二相颗粒析出，且这些颗粒大部分分布于晶界的位置。

实施例6

本实施例6除了第二步中将样品沿长度方向进行8道次的槽型轧制，该合金样品总变形量为80％，在第3道次、第6道次槽型轧制结束后各回炉保温5分钟外，其他均同于实施例3。

图1(f)为本实施例6所制得的经850℃固溶处理15分钟后进行8道次槽型轧制、在第3道次和第6道次槽型轧制结束后各回炉保温5分钟、淬火态、总变形量为80％和垂直于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#6CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(f)可见，本实施例6制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒挤压变形量进一步加大，且比实施例5所制得的CuAlMn形状记忆合金晶粒更细、铸造缺陷更少；图1(h)为本实施例6所制得的经850℃固溶处理15分钟后进行8道次槽型轧制、在第3道次和第6道次槽型轧制结束后各回炉保温5分钟、淬火态、总变形量为80％和平行于轧制方向的CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#6CuAlMn形状记忆合金)的金相照片，由图1(h)可见，该合金样品沿轧制方向呈现纤维晶，而非等轴晶。

实施例7

第一步，固溶处理：

将CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料置入温度为880℃的箱式炉中固溶处理12分钟；

第二步，槽型轧制与淬火处理：

将上述第一步固溶处理后的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金从箱式炉中取出，送入槽型轧制机的轧辊之间，沿该合金长度方向进行8道次的槽型轧制，在轧制期间，在第3道次、第6道次槽型轧制结束后各回炉保温6分钟，样品总变形量为80％，该合金样品总变形量为80％，最后一道次轧制结束后，再在同一轧槽中进行一次槽型轧制，然后将该合金样品置入20℃的水中进行淬火处理，由此制得高强度高阻尼的Cu-11.9Al-2.5Mn形状记忆合金。

图1(g)为本实施例7所制得的经880℃固溶处理12分钟后进行8道次槽型轧制、在第3道次和第6道次槽型轧制结束后各回炉保温6分钟、淬火态、总变形量为80％和垂直于轧制方向CuAlMn形状记忆合金(下面表1中标记为#7CuAlMn形状记忆合金)的金相照片；由图1(g)可见，本实施例7制得的CuAlMn形状记忆合金的晶粒比实施例6所制得的CuAlMn形状记忆合金的晶粒要粗。

综合图1和图2看出，采用本发明方法制备的孕育剂细化CuAlMn形状记忆合金的晶粒得到进一步的细化，铸造缺陷得以消除，同时有细小弥散的第二相析出，这不但有利于合金强度的提高，而且界面数量的增加还会使得合金内部的耗能源增加，从而进一步提升合金的阻尼性能。

表1列出了实施例1～7所制得的CuAlMn形状记忆合金的拉伸强度与室温阻尼性能。

表1

CuAlMn形状记忆合金编号	#1	#2	#3	#4	#5	#6	#7
								拉伸强度(MPa)	687.23	1015.92	820.77	875.36	902.15	993.42	930.50
阻尼tanθ	0.01579	0.03586	0.02396	0.02552	0.02998	0.03987	0.03628

由表1可见，采用本发明方法所制备的CuAlMn形状记忆合金的拉伸强度与阻尼值较之现有技术所制备的CuAlMn形状记忆合金的拉伸强度与阻尼值均有显著提高。尤其是#2，#6和#7CuAlMn形状记忆合金，其抗拉强度由#1CuAlMn形状记忆合金的687.23MPa分别增长至1015.92MPa、993.42MPa和930.50MPa，抗拉强度最高达到#2CuAlMn形状记忆合金的1015.92MPa；而室温附近的平均阻尼值由#1CuAlMn形状记忆合金的0.01579分别增长至0.03586、0.03987和0.03628，阻尼最高达到#6CuAlMn形状记忆合金的0.03987。分析认为，槽型轧制时CuAlMn形状记忆合金在高温变形过程中，基体会发生动态的回复与再结晶，使得已经孕育剂细化过的CuAlMn形状记忆合金的组织和晶粒变得更加细小。且样品在槽型轧制过程中从各个方向均匀受力，较大的塑性变形量和较高的热轧温度会使样品内部的显微裂纹和疏松得以愈合，从而有效消除铸造缺陷、获得较高的致密度和起到明显的增强基体的作用。同时，槽型轧制过程中析出的细小的第二相颗粒能够钉扎晶界和抑制再结晶晶粒的长大、在基体中起到弥散强化的作用，从而有效提高合金的热稳定性和力学性能。此外，合金晶粒、组织的显著细化以及第二相的析出能够大大增加界面的数量，包括马氏体间界面和孪晶界面、相转变过程中马氏体相与母相间界面、以及第二相颗粒与基体间的界面。这些界面在外加交变载荷下均能高效地消耗能量，从而使得CuAlMn形状记忆合金具有高的阻尼能力。

上述实施例中，所涉及的CN105568019B制得的CuAlMn形状记忆合金原料和设备是本技术领域公知的，所涉及的操作方法是本技术领域的技术人员能够掌握的。