CN104963994B - 一种精密仪器用Cu‑Al‑Mn形状记忆合金减震装置及其制造方法 - Google Patents

一种精密仪器用Cu‑Al‑Mn形状记忆合金减震装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种精密仪器用减震装置及其制造方法，所述减震装置包括：工作台、减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，所述减震组件由多块具有强各向异性的柱状晶组织Cu‑Al‑Mn形状记忆合金板组成，本发明的优点是减震装置具有功能各向异性，即在铅垂方向可提供10%以上的高可恢复应变，阻尼性能优异，具有良好的吸能、减震功能；而在水平方向上可提供7%以上的较高可恢复应变，起到吸能、减震作用的同时，由于板材厚向更高的强度和刚度，使减震装置具有良好的抗倾斜、抗摇摆功能，从而使精密仪器在使用、移动或运输过程中保持稳定。

Description

一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置及其制造 方法
技术领域
本发明属于金属材料制备及应用领域，涉及一种形状记忆合金减震装置的设计与应用，具体是一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置及其制造方法。
背景技术
精密仪器或设备由于其结构复杂，制造精细，往往对震动较为敏感，在使用、移动或运输过程中需要采用较好的减震、防震措施，以保证其使用过程中的稳定性或在移动或运输过程中不受破坏。目前常用的精密仪器减震装置主要有两种，一种为利用材料本身的弹性作为减震元件，例如以橡胶垫、气垫、弹簧、泡沫塑料等作为减震材料所设计的减震装置。另外一种为采用机电器件制成的稳定装置。由于机电器件制成的稳定装置，需要动力机构驱动，装置复杂，对使用环境要求高。因此，目前的减震装置绝大多数仍利用材料本身的弹性作为减震元件。相比橡胶垫等上文所列出的仅以弹性变形作为吸能减震机理的减震材料，形状记忆合金具有如下优势：1.除弹性变形外，还能通过发生特殊的热弹性马氏体相变吸收大量能量，具有更优的吸能减震能力；2.阻尼系数大，弹性模量高，强度高，耐热、耐磨损、耐腐蚀性能优异；3具有自驱动、自复位功能。因此，形状记忆合金已成为一种重要的吸能、减震材料。
当形状记忆合金作为吸能、减震材料应用时，更高的强度和更大的超弹性均可提高合金对外部能量的吸收能力，具有更优的吸能、减震功能。但形状记忆合金的高强度和高超弹性往往难以同时获得，例如，单晶Cu-Al-Mn合金具有10％以上的高超弹性，但其强度低，一般在200MPa以下。而普通多晶组织Cu-Al-Mn合金强度在200MPa～400MPa之间，但其超弹性低，一般不超过4％。目前，制备同时具有高强度和高超弹性的Cu-Al-Mn形状记忆合金仍面临极大的挑战。
精密仪器在使用、移动或运输过程中对置于其下部的减震装置在不同方向上具有不同的功能需求。在铅垂方向上，要求减震装置具有良好的吸能能力，起到良好的减震、抗震作用，保证精密仪器的不受震动干扰或损坏；而在水平方向上，要求减震装置具有一定的减震、吸能作用的同时，具有较高的强度和刚度以防止精密仪器产生摇摆而保持稳定。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有功能各向异性的精密仪器设备用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，以满足精密仪器设备用减震装置的实际需求。
为实现上述目的，本发明采用以下去技术方案：
一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，所述减震装置包括：工作台、减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，所述减震组件由多块具有强各向异性的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板组成。
进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板竖直放置并沿水平方向叠合。
进一步的，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板凝固方向与铅垂方向平行。
进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板叠合端面切齐。
进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板上端叠合端面与所述工作台连接。
进一步的，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板下端叠合端面与所述底座连接。
一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置制造方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1：以纯度99.9％以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金熔炼温度为1300℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；
步骤2：将预制合金在1100℃重新熔化，保温20min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温温度为1100℃的石墨结晶器中，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，凝固过程中的温度梯度大于7℃/mm；
步骤3：待合金熔体全部凝固后，随炉冷却到800℃左右时将铸锭取出水淬；
步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬；
步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；
步骤6：将多块合金板竖直放置并沿水平方向叠合，将合金板组与工作台和底座组合构成精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置。
进一步的，其特征在于，所述步骤1)中各原料成分为：Al：16at.％～20at.％，Mn：9at.％～12at.％，其余为Cu。
本发明设计的减震装置除具有普通Cu基形状记忆合金减震装置价格便宜，能量吸收能力强，耐疲劳、耐腐蚀，阻尼性能好，自复位能力优等特点外，还具有以下优点：
1)减震装置具有功能各向异性，即在铅垂方向可提供10％以上的高可恢复应变，阻尼性能优异，具有良好的吸能、减震功能；而在水平方向上可提供7％以上的较高可恢复应变，起到吸能、减震作用的同时，由于板材厚向更高的强度和刚度，使减震装置具有良好的抗倾斜、抗摇摆功能，从而使精密仪器在使用、移动或运输过程中保持稳定。
2)柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高超弹性，平行于凝固方向的超弹性超过10％，达到单晶水平，是普通多晶组织合金超弹性(～3％)的3倍以上。垂直凝固方向的超弹性也超过7％，是普通多晶组织合金超弹性(～3％)的2倍以上。相比普通多晶组织形状记忆合金制造的减震装置，本发明的减震装置具有更优的减震吸能性能。
3)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金制成的精密仪器用减震装置可恢复应变高，残余应变低，耐高温，持久性高，构造简单，安装拆卸方便。
4)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金集功能性和结构性于一体，同时实现减震吸能和支撑稳定作用，能简化设计，节约成本。
附图说明：
图1为本发明精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置结构示意图；
图2为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金金相形貌图：其中(a)平行凝固方向截面图；(b)为垂直凝固方向截面图；
图3为本发明各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金平行和垂直凝固方向的超弹性拉伸应力-应变曲线图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，说明书中所提到的“上”、“下”皆指以图一为参照的位置，仅用于说明本发明，并不限制本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。
如图1-3所示，一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，所述减震装置包括：工作台、减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，所述减震组件由多块具有强各向异性的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板组成，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板竖直放置并沿水平方向叠合，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板凝固方向与铅垂方向平行，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板叠合端面切齐，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板上端叠合端面与所述工作台连接，用于放置精密仪器，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板下端叠合端面与所述底座连接，所述底座可根据实际需要设计成固定式或可移动式。利用柱状晶组织Cu-Al-Mn合金(金相照片如图2所示)沿凝固方向具有高超弹性(10％～18％，超弹性应力-应变曲线如图3所示)，发生应力诱导相变时能吸收大量能量的特点，使减震装置在铅垂方向具有优异的吸能减震功能。该装置的铅垂方向的承压能力由合金凝固方向的屈服强度决定。在水平方向上，由于柱状晶组织Cu-Al-Mn合金垂直凝固方向具有较高超弹性(7％～9％)和更高的强度(300MPa～400MPa)和刚度(弹性模量为19GPa～24GPa)，使减震装置具有较好的吸能、减震功能的同时，具有高阻尼性能，可防止精密仪器产生摆动而保持稳定。
一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置制造方法，所述方法通过组织控制，制备出具有性能各向异性的特殊组织形状记忆合金，即在不同方向上分别获得高强度和高超弹性，采用定向凝固方法制备的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，沿凝固方向具有<001>高相变应变(反映超弹性大小)取向，无横向晶界，可获得与单晶相当的高超弹性(10％～18％)；垂直凝固方向的取向分布于<001>-<011>取向之间(对应较高的相变应变)，存在横向晶界，在变形时晶界强化作用明显，因此，在该方向上具有较高的超弹性(7％～9％)和更高的强度和刚度(垂直凝固方向的强度和弹性模量是平行方向的1.3和1.5倍左右)，其具体实施步骤如下：
步骤1：以纯度99.9％以上的无氧铜、电解铝和电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金成分为Al：16at.％～20at.％，Mn：9at.％～12at.％，其余为Cu，合金熔炼温度为1300℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；
步骤2：采用定向凝固方法制备具有强各向异性柱状晶组织合金板材，具体工艺为：将预制合金在1100℃重新熔化，保温20min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温(保温温度1100℃)的石墨结晶器中(浇注后关停保温加热装置)，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，结晶器形状和尺寸根据所制备板材的形状和尺寸设计，为了获得沿凝固方向具有强<001>取向，晶界平直高的柱状晶组织，以保证板材具有强各向异性，要求定向凝固过程中的温度梯度必须大于7℃/mm；
步骤3：待合金熔体全部凝固后(合金熔点为950℃)，随炉冷却到800℃左右时将铸锭取出水淬，以避免生成α相和其他脆性相，保证获得完全的奥氏体组织；
步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬，以稳定合金的马氏体相变温度；
步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；
步骤6：将多块合金板竖直放置并沿水平方向叠合，将合金板组与工作台和底座组合构成精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置。
通过步骤1～6可以制备出沿凝固方向具有强<001>取向，柱状晶晶粒长径比在10以上的，晶界平直的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板材(金相照片如图2(a)(b)所示。合金板材沿凝固方向的超弹性达到10％～18％，屈服强度为200～300MPa，弹性模量为19～24GPa；而沿垂直凝固方向的超弹性为7％～9％；屈服强度和弹性模量分别达到300～400MPa和28～36GPa。超弹性、屈服强度和弹性模量各向异性分别达到1.43～2.0、1.33～1.5、1.47～1.5，具有强各向异性。
Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶体虽然具有强各向异性，能够满足各向异性减震装置的设计要求，但大尺寸单晶体Cu-Al-Mn形状记忆合金制备困难，成本高昂，无法实际应用。而目前广泛使用的普通多晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金超弹性低(<4％)，且性能为各向同性，不利于各向异性装置的设计。采用定向凝固方法可以制备大尺寸的具有强各向异性特征的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金，因此，综合柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的性能特点和精密仪器用减震装置功能需求，利用柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的性能各向异性，通过利用定向凝固方法制备柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金使其具有各向异性特点，开发了可满足精密仪器用减震要求的具有功能各向异性的新型减震装置。
【实施例1】
采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚5mm的Cu72Al18Mn10(at.％)合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表1所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到18％，屈服强度为228.5MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到9％，屈服强度为312.1MPa。切割成长150mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成减震装置。减震装置最大承载压强为228MPa。
表1柱状晶组织Cu72Al18Mn10合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数
【实施例2】
采用本发明所述制备工艺制备宽40mm厚4mm的Cu72Al17Mn11(at.％)合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表2所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到16％，屈服强度为268.9MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到8.5％，屈服强度为349.3MPa。切割成长130mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成减震装置。减震装置最大承载压强为268MPa。
表2柱状晶组织Cu72Al17Mn11合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数
【实施例3】
采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚4mm的Cu71Al20Mn9(at.％)合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表3所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到10％，屈服强度为298.9MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到7.5％，屈服强度为382.1MPa。切割成长140mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成减震装置。减震装置最大承载压强为298MPa。
表3柱状晶组织Cu71Al20Mn9合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数
【实施例4】
采用本发明所述制备工艺制备宽50mm厚3mm的Cu72Al16Mn12(at.％)合金板，沿平行和垂直凝固方向的性能如表4所示，在平行凝固方向超弹性可恢复应变达到14％，屈服强度为271.4MPa，垂直凝固方向超弹性可恢复应变达到7.8％，屈服强度为361.4MPa。切割成长150mm的板材，板材长度方向沿凝固方向，按图1所示制成减震装置。减震装置最大承载压强为271MPa。
表4柱状晶组织Cu72Al16Mn12合金板平行和垂直于凝固方向的性能参数
本发明设计的减震装置除具有普通Cu基形状记忆合金减震装置价格便宜，能量吸收能力强，耐疲劳、耐腐蚀，阻尼性能好，自复位能力优等特点外，还具有以下优点：
1)减震装置具有功能各向异性，即在铅垂方向可提供10％以上的高可恢复应变，阻尼性能优异，具有良好的吸能、减震功能；而在水平方向上可提供7％以上的较高可恢复应变，起到吸能、减震作用的同时，由于板材厚向更高的强度和刚度，使减震装置具有良好的抗倾斜、抗摇摆功能，从而使精密仪器在使用、移动或运输过程中保持稳定。
2)柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金具有高超弹性，平行于凝固方向的超弹性超过10％，达到单晶水平，是普通多晶组织合金超弹性(～3％)的3倍以上。垂直凝固方向的超弹性也超过7％，是普通多晶组织合金超弹性(～3％)的2倍以上。相比普通多晶组织形状记忆合金制造的减震装置，本发明的减震装置具有更优的减震吸能性能。
3)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金制成的精密仪器用减震装置可恢复应变高，残余应变低，耐高温，持久性高，构造简单，安装拆卸方便。
4)各向异性Cu-Al-Mn形状记忆合金集功能性和结构性于一体，同时实现减震吸能和支撑稳定作用，能简化设计，节约成本。

Claims (8)

1.一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置制造方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
步骤1：以纯度99.9％以上的无氧铜、纯度99.9％以上的电解铝和纯度99.9％以上的电解锰为原料，采用电磁感应真空熔炼方法制备预制合金，合金熔炼温度为1300℃，冷却方式为空冷、水淬均可，获得成分均匀的预制合金；
步骤2：将预制合金在1100℃重新熔化，保温20min后，浇注到底部为水冷铜模冷却、周向保温温度为1100℃的石墨结晶器中，合金由下而上定向凝固，形成柱状晶组织，凝固过程中的温度梯度大于7℃/mm；
步骤3：待合金熔体全部凝固后，随炉冷却到800℃左右时将铸锭取出水淬；
步骤4：将淬火后的铸锭重新加热到150℃时效30分钟后空冷或水淬；
步骤5：根据器件的设计需要，将合金铸锭切割成所需尺寸的板材；
步骤6：将多块合金板竖直放置并沿水平方向叠合，将合金板组与工作台和底座组合构成精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置。
2.根据权利要求1所述的减震装置制造方法，其特征在于，所述步骤1中各原料成分为：Al：16at.％～20at.％，Mn：9at.％～12at.％，其余为Cu。
3.一种精密仪器用Cu-Al-Mn形状记忆合金减震装置，所述减震装置包括：工作台、减震组件和底座，所述减震组件连接所述工作台与所述底座，其特征在于，所述减震组件由多块具有强各向异性的柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板组成；所述柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金板由权利要求1或2所述制造方法中步骤1-5制得。
4.根据权利要求3所述的减震装置，其特征在于，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板竖直放置并沿水平方向叠合。
5.根据权利要求4所述的减震装置，其特征在于，所述Cu-Al-Mn形状记忆合金板凝固方向与铅垂方向平行。
6.根据权利要求4所述的减震装置，其特征在于，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板叠合端面切齐。
7.根据权利要求6所述的减震装置，其特征在于，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板上端叠合端面与所述工作台连接。
8.根据权利要求6所述的减震装置，其特征在于，所述多个Cu-Al-Mn形状记忆合金板下端叠合端面与所述底座连接。
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