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
阅读说明：本技术 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 (Directionally solidified high-damping manganese-copper alloy material in strong magnetic field and preparation method thereof ) 是由 田青超 张思斌 任忠鸣 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明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:70-75wt.％、Cu:15-20wt.％、Ni:6-10wt.％、Fe:1.5-2.5wt.％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。本发明合金结合强静磁场下定向凝固工艺,获得具有(111)晶面择优取向的单一的γ相组织,通过反铁磁相变的磁有序化显著提升合金服役温度范围内的阻尼性能,进而实现制备高阻尼性能锰铜基合金的目的,本发明阻尼合金成分简单,制备工艺流程短,生产效率高,制造成本低。(The invention discloses a directionally solidified high-damping manganese-copper alloy material in a strong magnetic field and a preparation method thereof, and relates to the technical field of preparation methods of manganese-copper-based alloys with high damping performance. The invention comprises the preparation of raw materials and the preparation of high-damping manganese-copper alloy, wherein the preparation of the raw materials comprises the following steps: the alloy elements comprise the following components in percentage by weight: 70-75 wt.% of Mn, 15-20 wt.% of Cu, 6-10 wt.% of Ni, 1.5-2.5 wt.% of Fe and other inevitable impurities, and then putting the raw materials into a crucible and putting the crucible into a vacuum induction melting furnace for melting. The alloy of the invention combines the directional solidification process under the strong magnetostatic field to obtain a single gamma-phase structure with the preferred orientation of a (111) crystal face, and the damping performance of the alloy within the service temperature range is obviously improved through the magnetic ordering of the antiferromagnet phase change, thereby realizing the purpose of preparing the manganese-copper-based alloy with high damping performance.)
技术领域
本发明属于高阻尼性能的锰铜基合金制备方法技术领域，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。
背景技术
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-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。
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，所发明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-Cu合金的方法，合金在-70℃至-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0.02-0.04。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。
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-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-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。
进一步而言，反铁磁γ-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。
发明内容
本发明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。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明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：
合金元素按重量百分配比为：Mn:70-75wt.％、Cu:15-20wt.％、Ni:6-10wt.％、Fe:1.5-2.5wt.％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30-60min，从而得到母合金铸锭。
本发明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：
Mn：构成γ-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70-75wt.％。
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-Mn，宜采用含量15-20wt.％。
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-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6-10wt.％。
Fe：作为高熔点元素调节高温熔体粘度，在Mn-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1.5-2.5wt.％。
进一步地，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-In-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强度为1-10T的稳恒强磁场；
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1150-1250℃以上温度，保温10-30min，使合金充分熔化(合金的加热-熔化过程受到稳恒强磁场影响)；
步骤四：以80-120μm/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。
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。
进一步地，所述高阻尼锰铜合金具有(111)晶面择优取向。
进一步地，所述高阻尼锰铜合金用于-30—30℃的常规服役温度范围其阻尼性能Tanδ为0.061-0.123。
进一步地，所述定向凝固高阻尼锰铜合金相组成为单一的γ相。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明合金结合强静磁场下定向凝固工艺，获得具有(111)晶面择优取向的单一的γ相组织，通过反铁磁相变的磁有序化显著提升合金服役温度范围内的阻尼性能，进而实现制备高阻尼性能锰铜基合金的目的。
2、本发明中的阻尼合金成分简单、制备工艺流程短，生产效率高。
3、利用本发明的强磁场定向凝固技术制备的锰铜合金具有明显的择优取向，在常温的温度范围通过反铁磁有序化大幅提高合金的阻尼性能，使得本发明合金的阻尼性能是现有合金的1.5-3倍。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例和对比例的XRD图谱；
图2为本发明实施例1的横截面组织图；
图3为本发明的实施例和对比例内耗随温度变化曲线的对比图；
图4为本发明对比例1的横截面组织图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述的高阻尼锰铜合金的制备方法做进一步说明。
实施例和对比例所得合金的阻尼性能测试，是通过DMA-Q800型动态热机械分析仪进行，采用三点弯曲模式测量合金阻尼性能(Tanδ)，测试振动频率为0.1Hz，应变振幅为2×10-5。合金的金相组织利用DM6000型徕卡光学显微镜观察。X射线衍射(XRD)图谱在RigakuSmartLab型X射线衍射仪上进行，靶材为Cu靶，扫描速度为4.5°/min。
实施例1：真空炉中制备75wt.％Mn-15wt.％Cu-7.5wt.％Ni-2.5wt.％Fe的锰铜基阻尼合金，感应加热温度1350℃保温30min后浇铸凝固；将母合金材料在施加了1T强磁场的定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温10min，使合金充分熔化后，以100μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)晶面呈明显的择优取向，见附图1；金相组织为发达的枝晶，强磁场搅动了液固前沿界面，致使枝晶的分布较为混乱，见附图2；在-30℃至30℃的常规使用温度范围保持高阻尼性能，Tanδ值为：0.061-0.065，见表1及附图3。
实施例2：真空炉中制备70wt.％Mn-20wt.％Cu-6wt.％Ni-1.5wt.％Fe的锰铜基阻尼合金，感应加热温度1350℃保温60min后浇铸凝固；将母合金材料在施加了3T强磁场的定向凝固炉中加热到1150℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以80μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)晶面呈明显的择优取向；金相组织为发达的混乱排布的枝晶；在-30℃至30℃的常规使用温度范围保持高阻尼性能，Tanδ值为：0.071-0.075，见表1。
实施例3：真空炉中制备73wt.％Mn-18wt.％Cu-7wt.％Ni-2wt.％Fe的锰铜基阻尼合金，感应加热温度1350℃保温40min后浇铸凝固；将母合金材料在施加了10T强磁场定向凝固炉中加热到1150℃以上温度，保温20min，使合金充分熔化后，以120μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)晶面呈明显的择优取向；金相组织为发达的混乱排布的枝晶；且在-30℃至30℃的常规使用温度范围保持高阻尼性能，Tanδ值为：0.081-0.123，见表1。
实施例4：真空炉制备72wt.％Mn-16wt.％Cu-10wt.％Ni-2wt.％Fe-2.5wt.％Fe的锰铜基阻尼合金，感应加热温度1450℃保温50min后浇铸凝固；将母合金材料在施加了8T强磁场定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以100μm/s的抽拉速度进行定向凝固。合金(111)晶面呈明显的择优取向；金相组织为发达的混乱排布的枝晶；且在-30℃至30℃的常规使用温度范围保持高阻尼性能，Tanδ值为：0.075-0.118，见表1。
对比例1：在真空炉中制备化学成分为Mn-20wt.％Cu-5wt.％Ni-2wt.％Fe的锰铜基阻尼合金，感应加热温度1350℃保温30min后浇铸凝固；将母合金材料在定向凝固炉中加热到1250℃以上温度，保温30min，使合金充分熔化后，以100μm/s的抽拉速度进行定向凝固，全程不施加强磁场。获得常见的(200)晶面择优取向，(111)晶面无择优特征，见附图1；金相组织为发达的规则排布的枝晶，见附图4；在-30℃至30℃的常规使用温度阻尼性能显著下降，Tanδ值仅为0.035-0.049，见表1。
表1.本发明实施例与对比例在-30～30℃的阻尼性能对比表
通过实施例一、实施例二、实施例三、实施例四和对比例一可知，采用重量百分配比为：Mn:70-75wt.％、Cu:15-20wt.％、Ni:6-10wt.％、Fe:1.5-2.5wt.％的原料放在坩埚中，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30-60min，制备的锰铜基合金，待合金在定向凝固炉中加热到1150-1250℃以上温度充分熔化后，在1-10T强磁场下以80—120μm/s的抽拉速度对锰铜合金定向凝固，如实施例一，合金在-30—30℃具有持续的高阻尼性能(大于0.06)；随着磁场强增加，阻尼性能逐步提高，如实施例二；当定向凝固后不进行时效热处理，如对比例一，阻尼性能下降约50％以上。
本发明强磁场下制备的具有(111)择优取向的定向凝固锰铜合金，其微观结构既适合孪晶运动，又适宜位错滑移，且因反铁磁相变导致的磁有序化导致在常规温度范围具有高阻尼性能，是现有合金的1.5-3倍，其性能提升效果十分显著。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明涉及的化学成分以及强磁场定向凝固制备工艺不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
本实施例的一个具体应用为：将含Mn:70-75wt.％、Cu:15-20wt.％、Ni:6-10wt.％、Fe:1.5-2.5wt.％和其他杂质的合金元素放在坩埚中，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30-60min，从而得到母合金铸锭，然后准备定向凝固炉，炉体上半部分为合金加热熔化区，下半部分为Ga-In-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，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1-10T的稳恒强磁场，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1150-1250℃以上温度，保温10-30min，使合金充分熔化(合金的加热-熔化过程受到稳恒强磁场影响)，然后以80-120μm/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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。