王 倩，王清周，崔春翔，李 諾

（河北工業(yè)大學 材料科學與工程學院，天津 300130）

隨著工業(yè)文明的發(fā)展，機械振動和噪聲已經(jīng)成為了一種嚴重的污染源.為滿足消聲減振的目的，人們已經(jīng)發(fā)展了多種有效的方法，其中高阻尼材料的采用被證明是最有效的手段之一[1].阻尼是材料的一種性質(zhì)，它能夠?qū)⒉牧系臋C械振動能量通過內(nèi)部機制不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄍǔＪ菬崮埽?高阻尼材料，顧名思義就是阻尼本領(lǐng)較高的材料[2].高阻尼材料主要包括粘彈性高阻尼材料和金屬合金高阻尼材料[3].其中金屬合金高阻尼材料不僅具有高阻尼性能，還具有粘彈性高阻尼材料所不具有的優(yōu)良的力學性能及抗老化、耐腐蝕等綜合性能[4].

在眾多高阻尼金屬材料中形狀記憶合金有著獨特的優(yōu)越性，其同時具有的形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能，使其具有更為廣闊的應(yīng)用空間[5].因而形狀記憶合金高阻尼特性的研究和開發(fā)越來越受到重視[5-6].形狀記憶合金的高阻尼性能主要產(chǎn)生于外力作用下馬氏體變體的自協(xié)調(diào)及馬氏體相中各種界面（孿晶面、相界面、變體界面）的滯后運動[5].

除了利用材料的本征阻尼能力以外，近年來又出現(xiàn)了許多創(chuàng)新型的阻尼增強方法，其中多孔金屬材料即采用金屬宏、微觀孔的高性能復(fù)合（視孔為第二相）已被證明是進一步提高金屬材料阻尼能力的有效途徑之一[7].本文即擬通過多孔材料的途徑來進一步提高形狀記憶合金的阻尼性能，以此來滿足工業(yè)上諸多領(lǐng)域的減震降噪的目的.

本文采用燒結(jié)-脫溶技術(shù)制備多孔CuA lMn形狀記憶合金，該方法可操作性強、工藝參數(shù)可控，可以制備出不同孔徑、不同孔隙率且孔隙分布均勻的多孔CuAlMn形狀記憶合金樣品.

1 實驗方法

1.1 樣品的制備

多孔CuA lMn形狀記憶合金的基體材料為采用二流霧化法制得的成分為Cu-11.7A l-2.49Mn（質(zhì)量百分含量）的形狀記憶合金粉末，其顯微形貌如圖1a所示.由圖1a可以看出霧化法制得的合金粉末顆粒主要以圓形或橢圓形為主.造孔劑為NaCl顆粒，為了避免氯化鈉顆粒在高溫燒結(jié)時由于結(jié)晶水的存在而發(fā)生破碎，使用前首先將NaCl加熱到400℃并保溫2h以除去結(jié)晶水，然后用標準樣品篩篩分為不同粒徑的NaCl顆粒,圖1b所示為平均粒徑為0.4mm的NaCl顆粒.

圖1 CuAlMn合金粉末及氯化鈉顆粒的顯微照片F(xiàn)ig.1 M icrographsof the CuAlMn powdersand NaClparticles

樣品制備時，首先將CuA lMn合金粉與一定量的氟化物添加劑（質(zhì)量分數(shù)小于0.1%，在燒結(jié)過程中通過反應(yīng)除去合金顆粒表面的氧化層，以提高燒結(jié)質(zhì)量）混合均勻，然后在行星式球磨機上研磨2.5 h.為了防止球磨過程中合金粉的氧化，球磨之前在球磨罐中通入了氬氣作為保護性氣體.球磨的目的一是使合金粉與添加劑充分混合；二是由于如圖1a所示由霧化法制得的合金粉末顆粒多數(shù)呈球狀或橢球狀，表面致密圓滑，壓制時由于其嚙合性不好，粉末不易結(jié)合在一起.而經(jīng)球磨以后，如圖1c所示，合金粉末顆粒變?yōu)槠瑺罨蚱渌灰?guī)則形狀，且表面粗糙.具有該種形貌特征的合金顆粒在壓制過程中可以得到較好的機械嚙合效果，顆粒間聯(lián)結(jié)性增強；三是破壞合金粉表面固有的氧化物被覆膜，使得合金顆粒露出新鮮組織，從而有利于促進燒結(jié)過程進行，同時提高壓坯的強度和密度，并縮短燒結(jié)時間.球磨后的合金粉與一定質(zhì)量一定粒徑的氯化鈉顆?；旌暇鶆颍尤肷倭繜o水乙醇（有潤滑作用）充分攪拌后放入自制的模具中，在TYE-2000B型壓力試驗機上于400MPa壓制成型.最后將壓制好的樣品在氣氛爐內(nèi)進行燒結(jié).具體燒結(jié)工藝為：首先在氬氣保護下升溫至785℃，并保溫燒結(jié)3 h，使金屬基體在氯化鈉顆粒熔化流出前基本成型；然后在氫氣保護下升至980℃，并保溫燒結(jié)3 h，使金屬顆粒完成冶金結(jié)合；最后使樣品隨爐冷至700℃以下后換回氬氣保護氣，隨爐冷至室溫.試樣取出后在熱水中進行超聲清洗使氯化鈉完全溶出，將清洗好的試樣于烘箱中烘干，便得到了多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品.樣品在性能測試之前先于氬氣保護下升溫至850℃ 化1h并油淬處理，最后將試樣在無水乙醇中清洗后烘干.

1.2 樣品孔隙率的計算

樣品的密度通過稱量其重量與測量其體積而計算得到[8]，由此多孔樣品的孔隙率為

1.3 樣品的宏、微觀組織形貌與壓縮性能

采用數(shù)碼照相方法獲得多孔CuA lMn形狀記憶合金試樣的宏觀形貌.用Philips XL30型掃描電鏡對多孔CuA lMn形狀記憶合金試樣進行微觀形貌分析；用金相顯微鏡對爐冷和熱處理后多孔CuA lMn形狀記憶合金試樣的金相組織進行分析.利用DK7725Z型電火花數(shù)控線切割機床在多孔CuAlMn形狀記憶合金試樣上切下10×15mm3的圓柱體，然后在SHT5305微機控制電液伺服萬能實驗機上對試樣進行準靜態(tài)壓縮試驗，壓縮速率為1×102s1.壓縮過程中記錄壓縮載荷-行程曲線，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 多孔CuA lMn形狀記憶合金的宏觀形貌

圖2是用燒結(jié)-脫溶工藝制備出的平均孔徑為0.4 mm具不同孔隙率的多孔CuAlMn形狀記憶合金樣品的宏觀形貌.在同一孔徑下，多孔CuAlMn形狀記憶合金樣品的孔隙率由氯化鈉的含量決定.隨著孔隙率的增加，孔的數(shù)量增多，分布也更加均勻.

圖3是用燒結(jié)-脫溶工藝制備出的孔隙率為67.5%具不同孔徑的多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品的宏觀形貌.由圖3可以清楚地看出多孔CuAlMn形狀記憶合金試樣為三維貫通的開孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔洞分布均勻.由于樣品的燒結(jié)溫度為980℃，遠遠高于氯化鈉的熔點801℃，在燒結(jié)過程中氯化鈉會熔化并從試樣中流出，從而形成了孔洞.試樣穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)說明在氯化鈉熔化之前樣品的基本框架已經(jīng)基本固定.后續(xù)的高溫燒結(jié)除了可以進一步提高樣品的致密度和燒結(jié)質(zhì)量外不會再影響孔洞的大小和形貌，所以利用熔點低于CuA lMn形狀記憶合金的氯化鈉顆粒作為造孔劑制備多孔CuAlMn形狀記憶合金是可行的.由圖3同時可看出在同一孔隙率下，隨著氯化鈉顆粒尺寸的增大多孔CuA lMn形狀記憶合金試樣中孔的尺寸也增大.試樣中孔的大小、形貌均與氯化鈉顆粒相似.

2.2 多孔CuA lMn形狀記憶合金的微觀形貌與組織

圖4a所示為孔隙率67.5%、孔徑0.4 mm的多孔CuAlMn形狀記憶合金樣品的微觀形貌.由圖4可以看出CuAlMn合金粉末顆粒間已形成牢固的原子間的冶金結(jié)合，燒結(jié)頸完整圓滑，燒結(jié)質(zhì)量良好.樣品中孔洞多為通孔結(jié)構(gòu)[9].然而由圖4a可以發(fā)現(xiàn)孔在基本復(fù)制NaCl顆粒尺寸大小的同時卻失去了其形貌的尖角特征，這可能是由于壓制過程中為了使合金顆粒間聯(lián)結(jié)充分而壓力過大，從而使得部分NaCl顆粒發(fā)生了破碎，或是由于合金粉末與氯化鈉顆?；旌喜粔蚓鶆蚧蚴窃诟邷叵侣然c顆粒熔化流出后使得試樣的金屬框架沒有了支撐而使得孔洞的形貌發(fā)生了一定的變化所致.同時由圖4可以發(fā)現(xiàn)多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品中孔內(nèi)壁粗糙，這種壁面有很好的吸聲降噪功效[10].

圖4b、c分別為爐冷及850℃ 化1h并淬火后多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品的金相組織照片.由圖4b可以看出除大量白色塊狀或條狀相外僅有極少量針狀馬氏體分布在樣品的灰色基體之上.這種組織應(yīng)該是由于樣品在隨爐緩慢冷卻至室溫的過程中，發(fā)生了 相的分解[11]，從而沒能得到全馬氏體 '相.如前所述，形狀記憶合金的高阻尼特性源于外力作用下馬氏體變體的自協(xié)調(diào)及馬氏體相中各種界面的滯后運動，因此要想成功獲得材料的高阻尼性能，必須對爐冷樣品進行適當?shù)臒崽幚?，以消除非馬氏體相對材料性能可能產(chǎn)生的不利影響.圖4c）所示為經(jīng)850℃ 化1h并淬火處理后所得的金相組織照片.由圖可見經(jīng)熱處理后CuA lMn合金基體主要由呈平行狀或三角形緊密排列的板條狀馬氏體組成.這也就為多孔CuAlMn形狀記憶合金良好的馬氏體相變行為及高阻尼性能提供了組織基礎(chǔ).

2.3 多孔CuA lMn形狀記憶合金的壓縮特性

圖5所示為孔隙率67.5%、孔徑0.4mm多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中內(nèi)置圖清晰的顯示出了樣品在低應(yīng)變（0%～20%）時應(yīng)力-應(yīng)變的線性關(guān)系.由圖可以看出多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平滑，表明材料在形變過程相對平穩(wěn)，脆性斷裂特征不明顯.從而說明材料的燒結(jié)質(zhì)量較高，顆粒間聯(lián)結(jié)充分，同時材料中孔洞邊緣產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)亦不明顯.與其它多孔固體材料類似，多孔CuA lMn形狀記憶合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線亦可分為彈性區(qū)、平臺區(qū)和致密化區(qū)三個明顯的區(qū)域.彈性區(qū)是由于孔壁發(fā)生彈性變形引起的，在這一區(qū)域內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，應(yīng)變值很小.長而平的平臺區(qū)是由于孔壁發(fā)生屈服所致，在這一區(qū)域內(nèi)應(yīng)力增加較小而應(yīng)變迅速增大.金屬多孔材料在壓縮過程中的能量吸收效率即取決于平臺屈服區(qū)的平整程度[12]，這說明多孔CuA lMn形狀記憶合金具有良好的壓縮吸能特性.當壓縮應(yīng)力繼續(xù)增大時，孔洞就逐漸被壓實，孔壁接觸到后就進入了致密化區(qū)域，在此區(qū)域應(yīng)力將隨應(yīng)變的增加而迅速增長.

3 結(jié)論

1）以NaCl顆粒為造孔劑，利用燒結(jié)-脫溶工藝成功制備了不同孔徑、不同孔隙率的多孔CuA lMn形狀記憶合金.所得材料為三維貫通開孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔洞分布均勻，孔的大小、形貌均與NaCl顆粒的相似.

2）多孔CuA lMn形狀記憶合金樣品的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為明顯的彈性區(qū)、平臺區(qū)和致密化區(qū)3個區(qū)域.長而平的平臺區(qū)說明多孔CuA lMn形狀記憶合金具有良好的壓縮吸能特性.

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