燒結溫度對粉末冶金法制備M2052阻尼合金性能的影響*

王鑄博，盧鳳雙，吳　濱，徐　然，張建福，趙棟梁，羅豐華

(1.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083; 2.鋼鐵研究總院功能材料研究所，北京 100081; 3.精密合金技術北京市重點實驗室，北京 100081)

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燒結溫度對粉末冶金法制備M2052阻尼合金性能的影響*

王鑄博1，盧鳳雙2, 3，吳濱2, 3，徐然1，張建福2, 3，趙棟梁2, 3，羅豐華1

(1.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083; 2.鋼鐵研究總院功能材料研究所，北京 100081; 3.精密合金技術北京市重點實驗室，北京 100081)

采用單質Mn、Cu、Ni、Fe粉末，通過反應燒結過程可制備M2052合金。主要研究了燒結溫度對密度、孔隙率和力學性能的影響，同時對燒結樣品的相組成進行了分析。M2052合金在950℃燒結時基本為γ-MnCu固溶體，合金的密度為6.23 g/cm3，致密度為87.2%，抗彎強度達到了487 MPa，并具有良好的阻尼性能，不同頻率下的阻尼性能表現穩定，損耗因子tanδ達到0.11～0.12。

錳銅合金; 阻尼能力; 粉末冶金

0　引　言

金屬材料基阻尼合金具有良好的阻尼能力和優異的力學性能，能通過材料內部的各種阻尼機制吸收外部振動能，并將其轉化成熱能而不可逆地耗散，從而達到對系統的減振降噪功效。金屬材料基阻尼合金作為一類新穎的功能結構材料，實現振源即承載部件與阻尼構件一體化，與傳統減振降噪對策相比，具有工藝簡便、成本低、適用范圍廣及技術先進、效果好等優點，已開始應用于多個領域[1-3]。

錳銅合金是1種孿晶型高阻尼合金，有研究報道，錳銅合金因同時具有良好阻尼性能和力學性能，有廣闊應用前景，特別在航空、航天、船舶工業中有很好的發展前途。如日本宇宙航空研究開發機構JAXA應用于火箭內部裝置和基板的緊固螺絲、墊片等[4-5]。Mn73Cu20Ni5Fe2(原子分數，%),簡稱M2052合金。M2052是研究應用較多的一類錳銅合金，其中Ni和Fe加入進一步改善了合金的力學性能,因為其優良的阻尼性能和較好的力學性能，M2052合金在艦船領域有著廣泛的應用[7]。

傳統錳銅合金在熔煉及后續熱加工過程中容易氧化和揮發，粉末冶金法可以利用模具直接制備具有或接近最終形狀規格的構件，省去或減少后續的機械加工，并且在真空或保護氣氛中燒結，可控制合金氧化，減少環境污染和材料浪費等一系列優點。因此本文嘗試運用反應燒結的粉末冶金方法制備M2052錳銅阻尼合金材料，研究了粉末冶金燒結工藝對該阻尼合金性能的影響。

1　實　驗

1.1材料準備與研究方法

以電解錳粉(純度99.9%)，電解銅(純度99.9%)，羰基鎳(純度99.5%)，霧化鐵粉(純度99%)為原料。將所有的組成粉末混合，按M2052合金成分要求，將粉料加入研缽，用手工研磨1 h混合均勻后進行模壓成型(不能采用球磨工藝，為了防止粉料在球磨過程中發生加工硬化)。壓坯尺寸為(2～3)mm×10 mm×50 mm。采用保護氣氛燒結，燒結溫度分別為900，930和950℃，燒結時間為1 h。

1.2樣品的性能及表征

采用Archimedes法測定燒結M2052樣品的密度；采用3點彎曲法測定燒結合金的彎曲強度，跨距為30 mm，用Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡分析斷口形貌；并用DX-2700型X射線衍射儀對合金相組成進行分析。采用動態熱機械分析儀(DMA)測量材料的損耗角與頻率之間的關系，實驗采用矩形條狀試樣，尺寸為1.5 mm×10 mm×70 mm，測試方法為3點彎曲法測試，阻尼性能的大小用tanδ(損耗角正切)來表示。

2　結果與討論

900，930和950℃ 3種燒結溫度下M2052合金的密度、致密度和彎曲強度的結果列于表1，其中致密度參照文獻[6]給出的熔鑄-鍛造態M2052合金密度7.12 g/cm3換算得出。由表1可看出，隨著燒結溫度提高，密度和致密化程度逐漸增加，燒結溫度為950℃時，密度約為6.23 g/cm3，致密度為87.2%。隨著合金致密化程度的提高，材料的抗彎強度也不斷提高，950℃燒結合金的抗彎強度達到487 MPa。

表1不同燒結溫度下M2052合金的密度、致密度和彎曲強度

Table 1 Density,porosity and mechanical properties of the M2052 alloy

燒結溫度/℃900930950密度/g·cm-35.866.126.23致密度/%82.285.887.2彎曲強度/MPa306467487

從圖1中可以看到，900℃下燒結合金的金相圖譜顯示出分散、大小不一的金屬物質區域，金屬區域內的晶粒較為細??；孔隙較多，孔隙相貌無規則性。而950℃燒結合金的金屬體積基本上相互連通，晶粒組織均勻，尺寸較大，晶界特征明顯；孔隙存在球化特征。出現大量孔隙的原因主要有兩個，一是柯肯達爾效應，Mn元素單向擴散導致大量孔隙產生；二是錳是1種極易揮發的物質，在950℃時溫度較高，錳容易揮發，導致孔洞增多。

圖1　900和950℃兩種燒結溫度的金相圖譜

圖2中2θ角在40.5°位置為氧化錳的衍射峰。從圖2中可看出，900℃燒結溫度下，X射線衍射峰表明該合金還存在α-Mn(1種P4132簡單立方結構Mn單質)的衍射峰，說明該燒結溫度下，反應燒結過程還未完全。而930，950℃燒結后為單一fcc(γ相)衍射峰，在圖中標為γ-Cu，實際上為Mn和Cu原子形成的固溶體，也可標為γ-Mn。說明提高燒結溫度有利于促進反應燒結。由此可以推斷，圖1(b)顯示為較完全的單相γ-MnCu固溶體，而圖1(a)中還存在未反應完全的單質α-Mn，因此隨著燒結溫度升高，材料的密度和強度都有提高。

另外，比較圖2的3個衍射峰，發現其{111}面的衍射峰，2θ角約為42°，隨著燒結溫度升高，其衍射峰有向高角度方向偏移的趨勢，這是由于燒結過程中，Mn向Cu中進行單向擴散[8-9]，而Mn原子半徑大于Cu原子半徑，隨著擴散過程的進行，Mn在Cn原子中的含量提高，Mn原子只能以置換形式代替Cu原子的位置，因此得到的fcc(γ-MnCu)基體的半徑變大，從而導致了基體的晶格畸變所造成的。這一現象也證明了隨著燒結溫度升高，Cu、Mn元素互溶越充分，反應燒結越完全。

圖2　3種燒結合金的X射線衍射圖譜

圖3表示了常溫下M2052合金的阻尼性能隨頻率變化的規律，可以看到在0.1～100 Hz范圍，粉末冶金法制備的M2052合金具有良好的阻尼能力，制備的M2052合金的阻尼性能受頻率變化影響不大。其中950℃下反應燒結制備的M2052合金的阻尼性能優異，在不同頻率下阻尼性能表現穩定，表征阻尼能力的損耗角正切tanδ平均達到了0.1，最高值接近0.12。結合表1和圖1、2，說明燒結形成更完全的fcc(γ-MnCu)固溶體，有利于提高該合金的阻尼能力。

圖3M2052合金0.1～100 Hz范圍的常溫阻尼能力

Fig 3 Variation of damping ability with Frequency

研究采用單質Mn、Cu、Fe、Ni反應形成M2052合金，Mn、Cu為其主要元素，因此其反應燒結過程可以參考Mn-Cu合金相圖[11]來解釋。從相圖中可看出，Mn-Cu二元合金在871℃溫度以下形成的是γCu和γMn混溶相，在871℃以上溫度，存在γCu和γMn的固、液相線。有研究表明，單質Mn、Cu合金粉反應燒結時，存在Mn向Cu的單向擴散過程[8]。在900～950℃溫度范圍內燒結時，Mn向γCu中擴散，造成γCu中Mn元素含量升高而進入液相區，因此該燒結過程中會出現液相。隨著燒結溫度升高，γCu液相線的Mn元素含量降低，因此燒結溫度越高，越容易出現液相，并且液相的量也越多。

液相的形成是一個時間過程，液相的形成速率與燒結溫度，升溫速率及合金成分有關。因為溫度是影響擴散速率的最主要因素。溫度越高，原子熱激活能量越大，越易發生遷移，擴散系數也越大。因此900℃下燒結溫度低，較950℃燒結的擴散速度慢，燒結過程中形成的液相較少，Mn單質未反應完全，形成燒結頸的面積和尺寸也比950℃下燒結的合金要小。隨著燒結溫度升高，液相傳質增加，液相形成速率加快，反應生成的液相逐漸增多。液相不斷形成，使得Mn和Cu逐漸反應完全，在950℃燒結得到fcc(γ-MnCu)單一相。這一結果與X-Ray測試結果一致。

圖4是M2052合金的斷口形貌，可以看出，圖1(a)中1位置為燒結過程形成液相的光滑內表面(液相在毛細力作用下，液相發生流動并填充孔隙空間，形成了光滑內表面，內表面的面積與燒結溫度，燒結氣氛等相關)，而圖1(a)中2位置為金屬斷裂面的燒結頸區域。比較圖1(a)、(b)兩圖可明顯看出950℃燒結的M2052合金孔隙連通性好，燒結頸面積較大，液相形成量也比在900℃下燒結的合金要多，證明高溫下反應燒結過程進行更完全，晶粒結晶度高。由于物質傳遞是通過流動，變形來實現的，燒結結果產生致密化及強度增加。隨著燒結過程的進行，各接觸點處開始形成頸部，并逐漸擴大，最后燒結成一個整體。結合表1數據可看出，隨著燒結溫度提高，物質加速擴散，致密化程度逐漸增加。當燒結溫度為950℃時，制備出合金的密度約為6.23 g/cm3，致密度為87.2%。并且在950℃下燒結的M2052合金密度最大，合金的抗彎強度也最高，達到了487 MPa。

圖4M2052合金的斷口形貌

Fig 4 The fracture morphology of the M2052 alloy

圖3顯示室溫下測試的M2052合金阻尼能力隨頻率變化不大。950℃燒結合金損耗角正切高達0.11～0.12，表現出高的阻尼能力。鑒于該合金為燒結態，未進行淬火處理，因此不存在馬氏體相變引起的孿晶阻尼機制。多孔結構的內耗特性和該合金的固有位錯阻尼應該是起高阻尼能力的來源。

對于多孔材料，由于孔洞本身彈性模量近乎為零的軟質性，孔洞與基體中的大量界面的共同作用產生內耗。由于合金在燒結過程中會形成液相，液相凝固過程中會形成很大的熱應力。使孔隙在整個樣品中分布很不均勻(尺寸、形狀和分布等)，有些地方產生很大應力集中，甚至產生熱裂紋。在內耗測量過程中，孔周圍應力狀態由正應力轉變為剪切應力，或反之。內部的應力、應變狀態從而會受到干擾。與此同時，在宏觀孔周圍會同時出現一個不均勻的應力場，引起孔的膨脹(或收縮)和畸變，相應產生了膨脹能和畸變能[10]。

能量吸收能力是指每單位體積所吸收的能量,用C表示[12]。

(1)

能量吸收特性的第二個參數是能量吸收率,用E表示[13]。

(2)

(3)

σys表示基體材料的屈服應力，φ是孔棱占孔洞的固體分數，ρ*是多孔材料的等效密度，其值與孔隙率成反比，ρs表示基體材料密度，P0是閉孔孔洞內流體壓強，Pat是大氣壓強，C1和C2為常數，可以看到，σpl的大小與多孔材料的基體強度和等效密度成正比，與材料的孔隙率成反比。從式(2)、(3)可看出多孔MnCu合金的吸能特性與屈服強度σ，應變ε有直接關系，而屈服強度與多孔合金密度、孔徑、孔結構分布等密切相關。在基體金屬材料一定的情況下，隨密度的增加多孔M2052合金的吸能特性明顯增強。

位錯阻尼是另一個重要來源。位錯阻尼也稱釘扎模型，即Granato-Lucke模型[14]。當發生外界振動時，材料內部會發生位錯的運動，使其在具有空位、溶質原子等弱釘扎點處發生雪崩式的脫釘。而后在強釘扎點如位錯網節點以及沉淀相等處周圍形成位錯環，引起應力的松弛以及機械動能的消耗。

另一方面，孔洞的存在對阻尼能力有著很大的影響。900℃燒結的M2052合金反應燒結不完全，部分Mn未進行反應殘留在了合金中，且燒結合金的孔隙分布不均勻，孔洞無規則性。而950℃下燒結的M2052合金孔有球化的趨勢，合金化完全，結晶度高，得到晶粒的尺寸大小平均。在基體金屬材料一定的情況下,隨著合金密度的增加，多孔M2052合金的吸能特性明顯增強。另外，孔壁中還會殘留一些微觀孔洞和裂紋，這是由于金屬降溫過程中，部分氣體過飽和析出而分布在孔壁中[15-20]。因此，除了孔隙與基體之間所形成的界面外，內部還存在其它大量微觀和宏觀的缺陷。當外力作用于材料上時，將對這樣1種應力狀態產生干擾，使之不均勻應變狀態加劇，引起缺陷區域內原子重排。缺陷區的這種響應是粘滯性的，因而引起粘彈性應變，造成外加能量的損耗[21]。因此950℃燒結合金更符合孔隙內耗和位錯阻尼機理從而表現出較高的阻尼能力。

3　結　論

通過反應燒結制備M2052合金，燒結過程中會形成液相，隨燒結溫度的升高，反應燒結更完全，得到γ-MnCu固溶體。

950℃下燒結M2052合金基本上為γ-MnCu固溶體，密度為6.23 g/cm3，致密度為87.2%，抗彎強度達到了487 MPa，并具有良好的阻尼性能，不同頻率下的阻尼性能表現穩定，損耗因子tanδ達到0.11～0.12。

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Influence of sintering temperature on properties of M2052 alloy prepared by powder metallurgy

WANG Zhubo1,LU Fengshuang2,3,WU Bin2,3,XU Ran1,ZHANG Jianfu2,3, ZHAO Dongliang2,3,LUO Fenghua1

(1.State Key Laboratory for Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China; 2.Functional Materials Research Institute,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China; 3.Beijing Key Laboratory of Precision Alloys,Beijing 100081,China)

M2052 damping alloy was prepared through reaction sintered method using high-purity simple substance powders of Mn、Cu、Ni、Fe.Not only the effect of different sintering temperature on the density,porosity and mechanical properties of the sintering alloy was studied,but also the phase composition of the sintered sample was analyzed.It is demonstrated that the M2052 alloy sintered at 1 223 K was essentially γ-MnCu solid solution.The density of M2052 alloy sintered at 1 223 K was 6.23 g/cm-3,the relative density was 87.2% and the bending strength reach to 487 MPa.The results show that the damping capacity maintained at a very high level(tanδranges from 0.11-0.12)and the damping ability changes little as frequency increases from 0-100 Hz.

Mn-Cu alloys; damping capacity; powder metallurgy

1001-9731(2016)09-09211-05

中南大學貴重儀器設備開放共享基金資助項目(CSUZC201531)

2015-08-14

2016-03-24 通訊作者：羅豐華，E-mail:fenghualuo@csu.edu.cn

王鑄博(1991-)，男，長沙人，在讀碩士，師承羅豐華教授，從事錳銅阻尼合金研究。

TG135; TG146

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.041