一种多元Fe-Al基阻尼合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种多元Fe-Al基阻尼合金及其制备方法 (Multi-element Fe-Al-based damping alloy and preparation method thereof ) 是由 胥永刚 李新有 张松 许怡哲 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多元Fe-Al基阻尼合金及其制备方法,该阻尼合金包括如下质量百分比：Al 1～10％、Mo 0～10％、Cr 0～3％、Ti 0～1％、余量为Fe。制备方法包括：装料、真空、熔炼、精炼、合金化、浇铸、取料、固溶、塑性成型加工和退火处理。本发明通过特定的原料制得的高性能阻尼合金材料,其通过磁畴壁的不可逆移动而产生磁机械滞后,从而造成能量耗散。此合金具有机械性能好、耐高温、阻尼性能高、耐腐蚀性好、制备方法简单、价格低廉并且容易实施、应用前景广泛等特点。(The invention discloses a multielement Fe-Al based damping alloy and a preparation method thereof, wherein the damping alloy comprises the following components in percentage by mass: 1-10% of Al, 0-10% of Mo, 0-3% of Cr, 0-1% of Ti and the balance of Fe. The preparation method comprises the following steps: charging, vacuum, smelting, refining, alloying, casting, material taking, solid solution, plastic forming and processing and annealing treatment. The high-performance damping alloy material prepared from the specific raw materials generates magneto-mechanical hysteresis through irreversible movement of a magnetic domain wall, thereby causing energy dissipation. The alloy has the characteristics of good mechanical property, high temperature resistance, high damping property, good corrosion resistance, simple preparation method, low price, easy implementation, wide application prospect and the like.)
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及到一种多元Fe-Al基阻尼合金及其制备方法。
背景技术
在航空、航天、航海及轨道交通等领域均存在不同程度的噪声和振动，共振是机械制造行业中造成事故和损坏的主要因素之一。目前，随着大众的环保意识的增强，噪声和振动给人类带来身心健康上的危害日益增加。为此对如何减小噪声和振动的影响，迫切需得到解决。当前，主要有三种方法解决振动和噪声的问题：
1、零部件用具有高减振性能的阻尼合金来制造，利用阻尼特性将振动能耗散。通过此方法机械设备产生的振动可以从根本上减小，无须增加额外的装置，应用范围广且操作简单。例如，在汽车工程领域，通过增加汽车制动系统的阻尼，防止制动盘等零部件和制动背板发生共振，从而制动啸叫声的产生几率降低。
2、对构件结构进行改进，构件尺寸加以放大，将其设计得足够庞大和坚固来降低振幅。但是由于设备尺寸的增大，导致成本大幅增加。例如，在轨道交通领域，日本新干线将制动盘冷却片形状加以改进，从而减弱制动系统发生气动噪声，达到了9dB效果。
3、在振动源上加设减振装置，如阻尼器、减振片等，在传播途径中就将振动耗散掉。然而系统的复杂性也会随之增加，具有一定的使用限制。例如，在船舶和矿山领域，通过调整摩擦系数，使制动系统可能发生尖叫噪声的频率个数减少。
在制动系统中安装消声器件来降低系统的高频啸叫声是一种降低制动噪声的方法。这些产品主要由高分子材料制得，例如，PS消声器(聚苯乙烯)。从实验的效果看，噪声和振动可得到有效抑制。该类产品在水处理、流体机械、化工、电力等行业都有应用。
上述高分子阻尼材料消声器系统，在一些特殊工况条件下(例如航天、海航领域或燃气涡轮发动机)，因制动速度过高，极端的工作环境，产生热量过高，导致其结构分子分解和出现老化，阻尼特性维持不到25％，难以满足服役要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种多元Fe-Al基阻尼合金及其制备方法，可以增大制动摩擦系统的阻尼特性，降低交通、船舶和矿山等制动系统产生的高频振动和噪声。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al 1～10％、Mo 0～10％、Cr 0～3％、Ti 0～1％、余量为Fe。
优选的，包括以下质量百分比组分：Al 8.47％、Mo 3.98％、Cr 2.05％、Ti0.85％、Fe 84.65％。
一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料称取后于真空环境中升温至1500～1700℃后熔炼；
(2)将步骤(1)熔炼后得到的物质于1500～1600℃条件下精炼，精炼后进行合金化；
(3)将合金化的物质于惰性气体保护下进行浇铸，并静置20～30min，得到铸锭；
(4)将铸锭于800～1150℃温度下进行固溶处理1～12h后，再依次进行开坯和锻造处理；
(5)将锻造后的合金退火，然后空冷至室温，即得。
进一步地，步骤(1)中真空环境为功率18～30kw的真空感应炉，熔炼的时间为20～40min。
进一步地，合金化的过程包括以下步骤：于精炼后的物质中加入Ti和Al，均匀化后将真空感应炉的功率降低至10～20w，保持10min。
进一步地，步骤(4)中锻造的温度为850～1150℃。
优选的，步骤(4)中锻造的温度为1150℃。
进一步地，步骤(5)中退火的温度为850～1200℃，退火的时间为0～5h。
优选的，步骤(5)中退火的温度为850℃，退火的时间为3h。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明中加入的Fe是形成高阻尼合金的最重要的元素。Fe具有铁磁性，使得Fe-Al合金发生自发磁化后，形成磁畴。
Al加入纯铁后，将形成置换型固溶体Fe-Al合金。当Al含量为5％～10％时，Al在Fe晶格中随机分布，与基体一起形成无序单相α固溶结构。虽然饱和磁化强度由于Al的稀释作用将逐渐降低。但是Fe-Al合金的电阻率将逐渐增大。Al含量在此范围内各向异性常数Kr值和磁致伸缩系数λs都将下降，有利于合金中磁畴发生不可逆移动。Al是强固溶元素，添加Al元素后，使合金的抗拉强度和屈服强度都明显提高。
Mo是一种铁素体形成元素，对扩大α相区有积极作用。Mo的密度比Fe和Al都高，相同质量百分比的Mo替代Al导致磁致伸缩系数λs降低，合金的初始磁导率明显提高，造成合金的矫顽力降低。添加Mo元素后，将减缓其无序相到有序相的转变的过程，进而提高合金的磁学性能。这些因素都可能提高磁畴畴界的耗能能力，从而合金的阻尼性能提高。此外Mo还是强固溶强化元素，在振动和冲击的场合，若合金因强度较低，从而发生塑性变形，组织残余应力将使合金的阻尼性能迅速降低。Mo固溶作用可使Fe-Al阻尼合金的抗冲击振动的能力大大提高。合金成规则的等轴晶，它的添加还能提高回火稳定性。
Cr加入到合金后，提高了合金的磁致伸缩系数，增加了90°磁畴的密度，同时降低合金内应力和提高磁畴的移动能力，从而提高阻尼性能。此外Cr的加入能提高合金的硬度和耐蚀性。
Ti是强碳化物形成元素，Ti的加入抑制了Cr的碳化物析出，明显提高合金抗点蚀能力、硬度，并且减少其磨损速率，特别是对于在高相对湿度和较高耐磨性要求的场合中其效果尤为显著。
2、本发明通过特定的原料制得的阻尼合金材料。其通过磁畴壁的不可逆移动而产生磁机械滞后造成能量耗散形成了阻尼机制，抑制结构件的噪声及振动，从而有效降低了结构件产生的噪声和振动，进而降低了结构件的噪声和振动。此外本发明制得的阻尼合金材料还具有优异的机械性能、耐高温，耐腐蚀性能以及成本低的特点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al8.47％、Mo 3.98％、Cr 2.05％、Ti 0.85％、Fe 84.65％，纯度均为99.999％。
还提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)装料：将各原料装入真空感应炉中的坩埚内，打开水泵电源，检查水路是否漏水；
(2)真空：关闭高真空阀，打开低真空阀，开启机械泵，随后打开预真空阀，并打开扩散泵电源。当真空度达到500Pa时，打开罗茨泵，直到真空度达到2Pa。扩散泵加热30min后，如真空度达到2Pa以下时，关闭低真空阀，打开高真空阀，进入高真空抽气状态；
(3)熔炼：将真空感应炉的功率调至30kw，升温速率为0.3kw/min，然后温度升至1560℃，熔炼时间30min；
(4)精炼：对步骤(3)得到的物质在1600℃的条件下进行精炼；
(5)合金化：为使熔液均匀化，将真空感应炉的功率降至20W，停留10min；
(6)浇铸：对步骤(5)得到的物质进行浇铸，随后静置20min；
(7)取料：开放气阀，直到炉内气压达到外气压时，打开炉盖，取出盛铸锭的型体。合上炉盖，用机械泵和罗茨泵抽真空。关闭控制箱内电源，待系统冷却后，关闭水循环系统。
(8)固溶处理：将浇铸后的物质在1100℃固溶处理1h左右。
(9)塑性成型加工：将浇铸后的物质进行开坯和锻造处理，锻造温度1150℃，得到组织和成分均匀的块体合金；
(10)退火：将锻造后的合金置于850℃退火1h，然后空冷至室温。
实施例2
本实施例提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al9.41％、Mo 3.58％、Cr 2.35％、Ti 0.78％、Fe 83.88％，纯度均为99.999％。
还提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)装料：将各原料装入真空感应炉中的坩埚内，打开水泵电源，检查水路是否漏水；
(2)真空：关闭高真空阀，打开低真空阀，开启机械泵，随后打开预真空阀，并打开扩散泵电源。当真空度达到500Pa时，打开罗茨泵，直到真空度达到3Pa。扩散泵加热30min后，如真空度达到3Pa以下时，关闭低真空阀，打开高真空阀，进入高真空抽气状态；
(3)熔炼：通入氩气，将真空感应炉的功率调至28kw，升温速率为0.5kw/min，然后温度升至1600℃，熔炼时间35min；
(4)精炼：对步骤(3)得到的物质在1500℃的条件下进行精炼；
(5)合金化：为使熔液均匀化，将真空感应炉的功率降至19W，停留10min；
(6)浇铸：对步骤(5)得到的物质进行浇铸，随后静置23min；
(7)取料：开放气阀，直到炉内气压达到外气压时，打开炉盖，取出盛铸锭的型体。合上炉盖，用机械泵和罗茨泵抽真空。关闭控制箱内电源，待系统冷却后，关闭水循环系统；
(8)固溶处理：将浇铸后的物质在1000℃固溶处理3h。
(9)塑性成型加工：将浇铸后的物质进行开坯和锻造处理，锻造温度1050℃，得到组织和成分均匀的块体合金；
(10)退火：将锻造后的合金置于900℃退火2h，然后空冷至室温。
实施例3
本实施例提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al8.11％、Mo 3.08％、Cr 2.68％、Ti 0.95％、Fe 85.18％，纯度均为99.999％。
还提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)装料：将各原料装入真空感应炉中的坩埚内，打开水泵电源，检查水路是否漏水；
(2)真空：关闭高真空阀，打开低真空阀，开启机械泵，随后打开预真空阀，并打开扩散泵电源。当真空度达到500Pa时，打开罗茨泵，直到真空度达到3Pa。扩散泵加热30min后，如真空度达到3Pa以下时，关闭低真空阀，打开高真空阀，进入高真空抽气状态；
(3)熔炼：通入氩气，将真空感应炉的功率调至26kw，升温速率为0.3kw/min，然后将温度升至1700℃，熔炼时间35min；
(4)精炼：对步骤(3)得到的物质在1580℃的条件下进行精炼；
(5)合金化：为使熔液均匀化，将真空感应炉的功率降至18W，停留10min；
(6)浇铸：对步骤(5)得到的物质进行浇铸，随后静置30min；
(7)取料：开放气阀，直到炉内气压达到外气压时，打开炉盖，取出盛铸锭的型体。合上炉盖，用机械泵和罗茨泵抽真空。关闭控制箱内电源，待系统冷却后，关闭水循环系统；
(8)固溶处理：将浇铸后的物质在1125℃固溶处理5h。
(9)塑性成型加工：将浇铸后的物质进行开坯和锻造处理，锻造温度1020℃，得到组织和成分均匀的块体合金；
(10)退火：将锻造后的合金置于950℃退火3h，然后空冷至室温。
实施例4
本实施例提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al7.35％、Mo 2.58％、Cr 1.85％、Ti 0.81％、Fe 87.41％，纯度均为99.999％。
还提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)装料：将各原料装入真空感应炉中的坩埚内，打开水泵电源，检查水路是否漏水；
(2)真空：关闭高真空阀，打开低真空阀，开启机械泵，随后打开预真空阀，并打开扩散泵电源。当真空度达到500Pa时，打开罗茨泵，直到真空度达到3Pa。扩散泵加热30min后，如真空度达到3Pa以下时，关闭低真空阀，打开高真空阀，进入高真空抽气状态；
(3)熔炼：通入氩气，将真空感应炉的功率调至19kw，升温速率为0.4kw/min，然后将温度升至1520℃，熔炼时间20min；
(4)精炼：对步骤(3)得到的物质在1650℃的条件下进行精炼；
(5)合金化：为使熔液均匀化，将真空感应炉的功率降至20W，停留10min；
(6)浇铸：对步骤(5)得到的物质进行浇铸，随后静置25min；
(7)取料：开放气阀，直到炉内气压达到外气压时，打开炉盖，取出盛铸锭的型体。合上炉盖，用机械泵和罗茨泵抽真空。关闭控制箱内电源，待系统冷却后，关闭水循环系统；
(8)固溶处理：将浇铸后的物质在1000℃固溶处理7h。
(9)塑性成型加工：将浇铸后的物质进行开坯和锻造处理，锻造温度950℃，得到组织和成分均匀的块体合金；
(10)退火：将锻造后的合金置于1100℃退火4h，然后空冷至室温。
实施例5
本实施例提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金，包括以下质量百分比组分：Al6.87％、Mo 3.21％、Cr 2.98％、Ti 0.76％、Fe 86.18％，原料的纯度均为99.999％。
还提供了一种多元Fe-Al基阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)装料：将各原料装入真空感应炉中的坩埚内，打开水泵电源，检查水路是否漏水；
(2)真空：关闭高真空阀，打开低真空阀，开启机械泵，随后打开预真空阀，并打开扩散泵电源。当真空度达到500Pa时，打开罗茨泵，直到真空度达到3Pa。扩散泵加热30min后，如真空度达到3Pa以下时，关闭低真空阀，打开高真空阀，进入高真空抽气状态；
(3)熔炼：通入氩气，将真空感应炉的功率调至29kw，升温速率为0.6kw/min，然后将温度升至1660℃，熔炼时间40min；
(4)精炼：对步骤(3)得到的物质在1530℃的条件下进行精炼；
(5)合金化：为使熔液均匀化，将真空感应炉的功率降至18W，停留10min；
(6)浇铸：对步骤(5)得到的物质进行浇铸，随后静置30min；
(7)取料：开放气阀，直到炉内气压达到外气压时，打开炉盖，取出盛铸锭的型体。合上炉盖，用机械泵和罗茨泵抽真空。关闭控制箱内电源，待系统冷却后，关闭水循环系统；
(8)固溶处理：将浇铸后的物质在1150℃固溶处理12h。
(9)塑性成型加工：将浇铸后的物质进行开坯和锻造处理，锻造温度850℃，得到组织和成分均匀的块体合金；
(10)退火：将锻造后的合金置于1200℃退火5h，然后空冷至室温。
对本发明实施例1制得的阻尼合金材料进行如下机械性能、降噪效果、阻尼系数和耐高温性能进行检测，检测结果如下：
本发明制得的阻尼合金材料具有优异的机械性能，力学性能用MTS电子万能试验机测试，其抗拉强度在500～630MPa。
本发明制得的阻尼合金材料降噪效果佳，在使用本发明阻尼合金材料之前，系统噪声达到100dB，当使用了本发明阻尼合金材料后，噪声降至87dB。测量所用的声和振动分析用的1/1和1/3倍频程滤波器应符合GB321的规定，测量仪器的所有电声性能，均应由声学计量部门检定合格。每次测量前后均应使用准确度等于或优于±0.5dB的声校准器校准，前后两次校准的差值应不大于1dB。
本发明制得的阻尼合金材料工作温度在500℃以内。试样进行阻尼性能测试。测试设备为多功能内耗仪。测试温度为室温，频率为1Hz，施加的应力振幅范围为10×10-6～10×10-4。本发明阻尼合金材料的阻尼系数(损耗因子)为0.03～0.06，当将本发明阻尼合金材料在150℃放置超过100h，本发明阻尼合金材料的阻尼性能能够维持90％左右，说明本发明制得的阻尼合金材料具有耐高温稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。