简介概要

高阻尼MnCuNiFeCe合金的相变及阻尼机制研究

来源期刊：稀有金属2017年第10期

论文作者：卢凤双吴滨张建福李平赵栋梁

文章页码：1077 - 1081

关键词：MnCu合金;膨胀系数;磁性能;模型;

摘要：高端精密仪器领域的振动及噪声问题越来越引起关注,利用高阻尼合金抑制振动或降低噪声,是解决振动和噪声的重要手段。MnCu合金通过合适的热处理,可以获得出色的阻尼性能,并兼具优良的力学性能,因此受到人们的青睐。本文采用真空熔炼、开坯锻造等通用工艺制备Mn20Cu5Ni2FeCe合金。运用多功能振动样品磁强计、激光热膨胀仪及动态热机械分析仪等手段,研究了固溶及时效状态合金的相转变及阻尼性能。研究结果表明:合金的物理膨胀系数在235K左右低温区出现极小值,同时磁化强度在该温区发生转变。分析得知该转变为合金中贫Mn区的顺磁反铁磁性转变。该贫Mn区低温磁性转变引起晶格畸变,在应力的作用下,出现低温孪晶亚结构,导致在该温区出现低温阻尼峰。根据上述研究结果,提出的MnCu合金阻尼机制的微观模型能够解释阻尼温度谱的特征。

网络首发时间: 2016-07-28 08:59

稀有金属 2017,41(10),1077-1081 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY16060031

高阻尼MnCuNiFeCe合金的相变及阻尼机制研究

卢凤双吴滨张建福李平赵栋梁

钢铁研究总院功能材料研究所精密合金技术北京市重点实验室

北京科技大学新材料技术研究院

摘要：

高端精密仪器领域的振动及噪声问题越来越引起关注, 利用高阻尼合金抑制振动或降低噪声, 是解决振动和噪声的重要手段。MnCu合金通过合适的热处理, 可以获得出色的阻尼性能, 并兼具优良的力学性能, 因此受到人们的青睐。本文采用真空熔炼、开坯锻造等通用工艺制备Mn20Cu5Ni2FeCe合金。运用多功能振动样品磁强计、激光热膨胀仪及动态热机械分析仪等手段, 研究了固溶及时效状态合金的相转变及阻尼性能。研究结果表明:合金的物理膨胀系数在235K左右低温区出现极小值, 同时磁化强度在该温区发生转变。分析得知该转变为合金中贫Mn区的顺磁反铁磁性转变。该贫Mn区低温磁性转变引起晶格畸变, 在应力的作用下, 出现低温孪晶亚结构, 导致在该温区出现低温阻尼峰。根据上述研究结果, 提出的MnCu合金阻尼机制的微观模型能够解释阻尼温度谱的特征。

关键词：

MnCu合金;膨胀系数;磁性能;模型;

中图分类号： TG139

作者简介：卢凤双 (1980-) , 男, 辽宁沈阳人, 博士研究生, 高级工程师, 研究方向:阻尼合金, 电话:010-62183526, E-mail:lufengshuang@163.com;

收稿日期：2016-06-27

基金：北京市自然科学基金项目 (2142037) 资助;

Phase Transition and Mechanism of High Damping MnCuNiFeCe Alloy

Lu Fengshuang Wu Bin Zhang Jianfu Li Ping Zhao Dongliang

Beijing Key Laboratory of Precision Alloys, Functional Materials Research Institute, Central Iron and Steel Research Institute

Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing

Abstract：

The problems of vibration and acoustic noise in high-end precise instrument area were paid more and more attention. An important way to solve this was using high damping alloy. Mn-Cu alloys could exhibit high damping ability and excellent mechanical properties after proper heat treatment and that was the reason more and more people began to focus on this alloy. In this paper, vacuum melting and forging were used to get Mn20Cu5Ni2FeCe alloy. Vibrating sample magnetometer ( VSM) , thermal dilatometer and dynamic thermomechanical analysis ( DMA) were employed to study phase transition and damping performance of the alloys in solid solution and aging state. The results showed that the minimal value of physical expansion coefficient appeared at about 235 K in low temperature area and at the same time the transformation of magnetization occurred. According to the results, it was inferred that the reason might be magnetic transformation from paramagnetic to antiferromagnetic in poor Mn area of the alloy at this temperature and the magnetic transformation at low temperature might cause lattice distortion. Under the stress, low temperature twin substructure appeared, which led to the appearance of low temperature damping peak. Based on the research results, a model of damping mechanism of MnCu alloy was proposed and it could explain the characteristic of damping temperature spectrum.

Keyword：

MnCu alloy; expansion coefficient; magnetic properties; model;

Received： 2016-06-27

振动和噪声问题日益突出, 为减少武器装备因振动产生的降低精度甚至失效等问题, 减振降噪成为材料研究及装备制造部门迫切需要解决的问题。解决振动、噪声的问题可以从源头入手, 即采用高阻尼材料制造阻尼元件, 使振动能大部分转化为热能散失掉, 获得减振降噪的效果^[1]。1948年, Zener^[2]发现Mn含量为88%的Mn-Cu二元合金在室温附近具有很高的内耗值, 从此开启了MnCu阻尼合金的研究。20世纪90年代以前, 英国Stone Manganese Marine公司、美国海军和加拿大海军、美国国际铜研究联合公司相继研究开发出用于商业用途的Sonoston (Mn-37Cu-4Al-3Fe-1.5Ni) 铸造合金和Incramute (Mn-55Cu-1.5Al) 变形合金^[3]。20世纪90年代以后, 日本Kawahara等^[4,5]研究了Ni, Fe, Co, V, Cr, Al, Zn等合金元素对Mn含量约为70%的Mn Cu合金性能的影响, 发现Ni和Fe在改善Mn Cu合金的力学性能的同时, 对阻尼能力影响不大。因此, Mn20Cu5Ni2Fe合金引起了相关研究人员及应用企业的极大兴趣。Yin等研究了合金的微观组织结构与阻尼性能的关系, 解释了高阻尼性能的微观机制^{[6,7,8,9,10,11,12,13,14]}, 但还存在认识上的一些不足。稀土元素能够降低合金杂质元素含量, 改善合金的阻尼能力和时效稳定性。因此, 本文进一步研究添加微量稀土元素Ce的Mn Cu Ni Fe Ce合金的相变过程, 推测在低温区同样发生了顺磁反铁磁转变, 该转变可以引起晶格畸变, 导致低温高阻尼能力的产生。提出了Mn Cu合金微观阻尼模型, 该模型能够解释该类合金的阻尼温度谱曲线。

1 实验

采用纯度为99.9%的Mn, Ni, Fe及99.8%的Cu, Ce, 利用25 kg真空感应炉熔炼Mn20Cu5Ni2Fe Ce合金。熔炼后取样进行化学分析, 结果如表1所示。熔炼后合金锭在1173 K锻造成方坯, 固溶处理制度选择为1153 K保温1 h水冷。固溶后的方坯按照试样规格要求制样, 对试样进行真空时效热处理, 真空度优于1×10^-3Pa。利用德国Linseis L75型立式激光热膨胀仪测量合金的热膨胀性能。试验采用圆柱型试样, 尺寸为Φ6 mm×20 mm, 测试方式为光学非接触测量, 测试温度为120~470 K。冷却介质液氦, 降温速率为2 K·min^-1。利用多功能振动样品磁强计 (VERSALAB) 测试合金试样的磁化强度, 试验采用方块状试样, 尺寸为2 mm×2 mm×2 mm。测试条件为:外加磁场为5000 A·m^-1, 测试温度为120~400 K。冷却介质液氮, 降温速率为2 K·min^-1。采用动态热机械分析仪 (DMA) 测试材料的阻尼性能, 用损耗角正切 (tanδ) 来表示。试验采用矩形条状试样, 尺寸为1.5 mm×10 mm×70 mm, 测试方式为三点弯曲法测试。测试条件为:应变振幅2×10^-5, 测试频率1, 10, 100 Hz, 测试温度为210~390 K。冷却介质液氮, 降温速率为2 K·min^-1。

表1 Mn Cu Ni Fe Ce合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of Mn Cu Ni Fe Ce alloys (%, mass fraction) 下载原图

表1 Mn Cu Ni Fe Ce合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of Mn Cu Ni Fe Ce alloys (%, mass fraction)

2 结果与讨论

图1为研究合金的物理膨胀系数 (α) 随温度的变化曲线。如图所示, 随着温度的降低, 在T1温度以上, α值约为29×10^-6·K^-1, 随温度变化不敏感。在T1~T2温度之间, 固溶状态合金 (1153 K保温1 h水冷) 的α值缓慢下降, 随温度变化不敏感, 而时效状态合金 (698 K保温4 h炉冷) 的α值在T1温度迅速下降至T2温度的23×10^-6·K^-1。当温度继续降低至T3温度时, 固溶和时效状态的合金的α值几乎同时发生突变, 迅速下降, 大约从22×10^-6·K^-1迅速下降至极小值点T4温度的12×10^-6·K^-1, 然后快速上升至约22×10^-6·K^-1, 再随着温度的降低, 当达到T5温度时α值又发生快速下降的突变。

图2为固溶态合金及两种时效态 (648 K×4 h;698 K×4 h) 合金的磁化强度随温度的变化曲线。随着温度的降低, 在T6温度, 合金的磁化强度增加速率明显变大, 并且这种趋势与合金的状态相关性不大。

图1 合金的物理膨胀系数随温度的变化曲线Fig.1Variation of alloy physical expansion coefficient with temperature

图2 合金的磁化强度随温度的变化曲线Fig.2 Variation of alloy magnetization with temperature

图3为时效态合金 (698 K×4 h) 的阻尼温度谱曲线。在T7温度, 阻尼能力tanδ值具有极小值, 在1, 10 Hz测试条件下均约为0.012, 100 Hz测试条件下约为0.025。随着温度的降低, tanδ值在T7温度以下迅速升高。当降至T8温度时, 随着温度的进一步降低, 合金的阻尼能力tanδ的增加速率降低, 增长缓慢。在低温区T9温度出现阻尼峰, 1, 10 Hz测试条件下tanδ约为0.07, 100 Hz测试条件下约为0.09。该阻尼峰的位置不随测试频率的变化而移动, 阻尼能力随着测试频率的增加而增加。

图3 合金的阻尼温度谱曲线Fig.3 Curves of alloy damping temperature spectrum

固溶态合金为单相的面心立方fcc结构, 合金中未发生调幅分解, 因此可以认为合金中未产生贫Mn与富Mn区。根据合金的fcc→fct转变温度与Mn含量 (c_Mn) 的经验关系^[15]:T_t (K) =1264.8c_Mn-731.813, c_Mn-0.7可以得出固溶态合金的fcc→fct转变温度为154 K, 根据经验公式得出的温度与膨胀系数曲线的T5温度几乎一致, 因此可以认为膨胀曲线中的T5温度为fcc→fct转变温度。根据合金的磁化强度测试曲线可以看出, 固溶态合金在T6温度发生转变, 该温度可能为固溶态合金的顺磁→反铁磁转变温度, 从膨胀系数曲线在T4温度具有极小值的现象, 可以认为T4和T6温度很可能对应同一种转变即磁性转变。

时效态合金由于在时效过程中, 发生了调幅分解, 产生了富Mn与贫Mn区, 膨胀曲线的T1温度应为富Mn区的顺磁→反铁磁转变温度, 根据富Mn区的磁性转变温度与Mn含量的经验关系^[16]:T_n (K) =2092.2c_Mn-1412.6, 可以得出富Mn区的Mn含量大约为87%, 再根据合金的fcc→fct转变温度与Mn含量的经验关系, 得出富Mn区的fcc→fct转变温度T_t为370 K, 实验结果与膨胀曲线的T2温度和阻尼温度谱的T7温度吻合度很高。因此可以认为膨胀曲线的T2温度与阻尼温度谱的T7温度为富Mn区的fcc→fct转变温度。由于T_t低于T_n近30~40 K, 反铁磁转变与马氏体相变耦合较松, 在T_n和T_t之间, 二级转变可以连续有序化, 至一级的马氏体相变发生。此时相变具有二级转变特征, 马氏体相变内耗峰与孪晶峰叠加, 具有高阻尼性能。该处发生fcc→fct的转变。此转变导致晶格常数减小, 导致膨胀系数的减小。时效状态合金的膨胀曲线完全表现出了上述的相变特征。

合金的阻尼温度谱曲线与膨胀系数曲线室温以上出现的现象, 根据以往的研究结果都可以清晰地进行解释。但室温以下, 固溶状态的物理膨胀系数, 固溶及时效状态的磁化强度曲线和时效状态合金的阻尼温度谱曲线, 根据以往的研究结果没有得到很好的解释。磁化曲线的低温转变, 表明合金在低温同样发生了顺磁→反铁磁转变, 但经验公式并不适用于T6温度。由固溶状态及时效状态合金同样都在低温T4和T6温度发生转变, 并且时效状态合金的阻尼温度谱在T9温度出现阻尼峰, 很可能该温度出现的物理性能变化与合金的贫Mn区有关。

张志方等^[17]认为低温阻尼峰是孪晶界面弛豫峰。但从本研究的结果看, 该峰对测试频率不敏感, 并且该峰位对应温度的膨胀系数及磁化曲线发生突变, 该转变同样在固溶状态合金中出现, 固溶状态合金在此温度并不存在孪晶。因此该低温阻尼峰的出现, 并不一定是由孪晶界面弛豫造成的。微观阻尼机制模型的富Mn和贫Mn区渐变发生转变的机制能够解释低温阻尼峰现象。

对于经过适当时效热处理的合金, 在微观区域将发生调幅分解, 对应阻尼机制模型的状态1, 在高温区即膨胀系数曲线的T1温度以上, 合金的微区未发生任何的转变, 对应的阻尼能力低。当温度降低时, 微区中的富Mn区将发生磁性转变及fcc→fct的马氏体转变, 促发微孪晶产生, 导致阻尼能力的提升, 对应阻尼机制模型的状态2。当温度继续降低时, 微区中的贫Mn区同样将发生磁性转变及fcc→fct的马氏体转变, 将会导致低温孪晶亚结构的出现, 导致低温阻尼能力的进一步提升。该微观阻尼机制模型能够很好地解释Mn Cu合金低温高阻尼现象, 并能够解释低温阻尼峰。

3 结论

Mn Cu Ni Fe Ce合金室温~345 K温区高阻尼现象是由富Mn区的顺磁→反铁磁转变及fcc→fct马氏体转变触发的孪晶产生。固溶和时效热处理状态Mn Cu Ni Fe Ce合金物理膨胀系数和磁化强度变化趋势一致, 说明在235 K温度附近发生了贫Mn区的顺磁→反铁磁转变, 引起的晶格畸变在低温触发孪晶亚结构的产生, 合理地解释了226K温度时出现低温阻尼峰的现象。由此提出的Mn Cu合金渐变相变微观阻尼模型可以解释阻尼温度谱曲线。