[发明专利]一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于Mn‑Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法，所述复合材料为将Mn‑Cu合金颗粒与轻质金属基板，或Mn‑Cu合金板材与轻质金属基板通过累积叠轧焊方法进行层间焊合制备获得。本发明通过大量实验工作，首次将累积叠轧焊方法应用于Mn‑Cu增强型轻质金属基复合材料的制备中，大大提升了轻质金属基阻尼材料在室温附近的阻尼性能和力学性能，能够很好地满足近室温减震降噪应用领域中对结构材料的要求，特别适用于航天航空等要求低密度高性能的高技术领域。

技术领域

本发明涉及的是一种轻质金属基高阻尼复合材料及其制备方法，尤其是一种基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

火箭、卫星失效分析结果表明，约三分之二的故障与振动和噪音有关。航空航天器和舰船上的各种仪器仪表也常因此发生故障；飞机在长期使用过程中，由于振动的影响，常出现方向舵、机尾罩萌生裂纹，空速管断裂，以及座舱噪音等问题。因此，研发具有高阻尼特性的结构材料具有重要意义。现代航空航天工业的发展要求金属结构材料同时具有较好的力学和阻尼性能，以提高飞机和航天器的运行可靠性和寿命。

迄今已出现了许多阻尼合金，根据阻尼机制的不同，它们可分为四类即复相型、强磁性型、孪晶型和位错型。这些阻尼合金的阻尼性能通常超过10^-2，它们因此也被称为高阻尼合金。然而，除位错型的镁合金外，其他阻尼合金的密度通常超过5×10³kg/m³，导致其比强度、比刚度较小。因此，上述传统阻尼合金难以广泛用于航空航天领域。

我们知道轻质金属及其合金(如铝合金)在航空航天中应用十分广泛，但其阻尼性能却较差，通常仅约10^-3数量级，其抗振能力较差。而位错型的镁合金具有比铝合金更小的密度，但其强度较低(通常小于300MPa)，且抗腐蚀性能较差。因此，为提高铝及其合金基体的阻尼性能，或者提高镁及其合金的机械性能，我们以铝或镁等轻质金属或其合金为基体设计并制备同时兼具高阻尼和高强度的轻质金属基复合材料，具有重要的实用价值。

Mn-Cu合金是一种典型的界面弛豫型高阻尼合金，在应力作用下，伴随界面移动可产生非弹性应变和应力松弛，从而形成高阻尼。由于其高的阻尼性能和优良的综合机械性能(例如：M2052阻尼合金，最大内耗值达到0.06)，在航海航空核工业机械制造等领域已获得广泛应用，是较理想的减震降噪结构材料。但前文已述，其合金密度一般较大，与航空航天应用领域所追求的“轻质型材料”相背离。

迄今为止，制备颗粒分散型复合材料的方法主要有粉末冶金方法，铸造成型法等，但研究发现，上述方法制备的复合材料存在诸如金属基体与颗粒界面结合较差、颗粒分散不均匀、断裂韧性较低等问题。而制备金属多层膜结构的方法主要有溅射法，喷射沉积，电镀等，但是这些方法又存在所用设备复杂，价格昂贵，材料制备周期长等缺点，使得在工程结构材料制备方面受到了限制。虽然制备金属复合板材的方法很多，如轧制复合法，爆炸焊接法和铸造法等，但是只有累积叠轧焊(Accumulative roll-bonding，简称ARB)工艺被认为是大塑性变形技术中唯一有希望工业化生产大块金属多层复合板材的方法，在ARB工艺中，材料可以反复多周期轧制，通过控制轧制时的下压量实现不同材料的层间焊合，可连续制备多层复合金属材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了提供一种兼具高阻尼、高强度、低密度的基于Mn-Cu合金的增强型轻质金属基复合材料及其制备方法，以提供一种基于轻质金属(如铝或镁及其合金)的Mn-Cu合金颗粒分散型或异质金属叠层制造的层状型(Mn-Cu/轻质金属多层膜结构)高阻尼复合材料及其制备方法，一方面可有效克服传统的Mn-Cu合金密度大的问题，另一方面通过Mn-Cn合金提高铝基材料或镁基材料的阻尼性能和力学性能，以实现并拓展Mn-Cu合金可能作为“轻质型高阻尼结构材料”在航天航空领域的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：