烧结温度对粉末冶金法制备M2052阻尼合金性能的影响*

王铸博，卢凤双，吴　滨，徐　然，张建福，赵栋梁，罗丰华

(1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083; 2.钢铁研究总院功能材料研究所，北京 100081; 3.精密合金技术北京市重点实验室，北京 100081)



烧结温度对粉末冶金法制备M2052阻尼合金性能的影响*

王铸博1，卢凤双2, 3，吴滨2, 3，徐然1，张建福2, 3，赵栋梁2, 3，罗丰华1

(1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083; 2.钢铁研究总院功能材料研究所，北京 100081; 3.精密合金技术北京市重点实验室，北京 100081)

采用单质Mn、Cu、Ni、Fe粉末，通过反应烧结过程可制备M2052合金。主要研究了烧结温度对密度、孔隙率和力学性能的影响，同时对烧结样品的相组成进行了分析。M2052合金在950℃烧结时基本为γ-MnCu固溶体，合金的密度为6.23 g/cm3，致密度为87.2%，抗弯强度达到了487 MPa，并具有良好的阻尼性能，不同频率下的阻尼性能表现稳定，损耗因子tanδ达到0.11～0.12。

锰铜合金; 阻尼能力; 粉末冶金

0　引　言

金属材料基阻尼合金具有良好的阻尼能力和优异的力学性能，能通过材料内部的各种阻尼机制吸收外部振动能，并将其转化成热能而不可逆地耗散，从而达到对系统的减振降噪功效。金属材料基阻尼合金作为一类新颖的功能结构材料，实现振源即承载部件与阻尼构件一体化，与传统减振降噪对策相比，具有工艺简便、成本低、适用范围广及技术先进、效果好等优点，已开始应用于多个领域[1-3]。

锰铜合金是1种孪晶型高阻尼合金，有研究报道，锰铜合金因同时具有良好阻尼性能和力学性能，有广阔应用前景，特别在航空、航天、船舶工业中有很好的发展前途。如日本宇宙航空研究开发机构JAXA应用于火箭内部装置和基板的紧固螺丝、垫片等[4-5]。Mn73Cu20Ni5Fe2(原子分数，%),简称M2052合金。M2052是研究应用较多的一类锰铜合金，其中Ni和Fe加入进一步改善了合金的力学性能,因为其优良的阻尼性能和较好的力学性能，M2052合金在舰船领域有着广泛的应用[7]。

传统锰铜合金在熔炼及后续热加工过程中容易氧化和挥发，粉末冶金法可以利用模具直接制备具有或接近最终形状规格的构件，省去或减少后续的机械加工，并且在真空或保护气氛中烧结，可控制合金氧化，减少环境污染和材料浪费等一系列优点。因此本文尝试运用反应烧结的粉末冶金方法制备M2052锰铜阻尼合金材料，研究了粉末冶金烧结工艺对该阻尼合金性能的影响。

1　实　验

1.1材料准备与研究方法

以电解锰粉(纯度99.9%)，电解铜(纯度99.9%)，羰基镍(纯度99.5%)，雾化铁粉(纯度99%)为原料。将所有的组成粉末混合，按M2052合金成分要求，将粉料加入研钵，用手工研磨1 h混合均匀后进行模压成型(不能采用球磨工艺，为了防止粉料在球磨过程中发生加工硬化)。压坯尺寸为(2～3)mm×10 mm×50 mm。采用保护气氛烧结，烧结温度分别为900，930和950℃，烧结时间为1 h。

1.2样品的性能及表征

采用Archimedes法测定烧结M2052样品的密度；采用3点弯曲法测定烧结合金的弯曲强度，跨距为30 mm，用Quanta FEG 250型扫描电子显微镜分析断口形貌；并用DX-2700型X射线衍射仪对合金相组成进行分析。采用动态热机械分析仪(DMA)测量材料的损耗角与频率之间的关系，实验采用矩形条状试样，尺寸为1.5 mm×10 mm×70 mm，测试方法为3点弯曲法测试，阻尼性能的大小用tanδ(损耗角正切)来表示。

2　结果与讨论

900，930和950℃ 3种烧结温度下M2052合金的密度、致密度和弯曲强度的结果列于表1，其中致密度参照文献[6]给出的熔铸-锻造态M2052合金密度7.12 g/cm3换算得出。由表1可看出，随着烧结温度提高，密度和致密化程度逐渐增加，烧结温度为950℃时，密度约为6.23 g/cm3，致密度为87.2%。随着合金致密化程度的提高，材料的抗弯强度也不断提高，950℃烧结合金的抗弯强度达到487 MPa。

表1不同烧结温度下M2052合金的密度、致密度和弯曲强度

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

烧结温度/℃900930950密度/g·cm-35.866.126.23致密度/%82.285.887.2弯曲强度/MPa306467487

从图1中可以看到，900℃下烧结合金的金相图谱显示出分散、大小不一的金属物质区域，金属区域内的晶粒较为细小；孔隙较多，孔隙相貌无规则性。而950℃烧结合金的金属体积基本上相互连通，晶粒组织均匀，尺寸较大，晶界特征明显；孔隙存在球化特征。出现大量孔隙的原因主要有两个，一是柯肯达尔效应，Mn元素单向扩散导致大量孔隙产生；二是锰是1种极易挥发的物质，在950℃时温度较高，锰容易挥发，导致孔洞增多。

图1　900和950℃两种烧结温度的金相图谱

图2中2θ角在40.5°位置为氧化锰的衍射峰。从图2中可看出，900℃烧结温度下，X射线衍射峰表明该合金还存在α-Mn(1种P4132简单立方结构Mn单质)的衍射峰，说明该烧结温度下，反应烧结过程还未完全。而930，950℃烧结后为单一fcc(γ相)衍射峰，在图中标为γ-Cu，实际上为Mn和Cu原子形成的固溶体，也可标为γ-Mn。说明提高烧结温度有利于促进反应烧结。由此可以推断，图1(b)显示为较完全的单相γ-MnCu固溶体，而图1(a)中还存在未反应完全的单质α-Mn，因此随着烧结温度升高，材料的密度和强度都有提高。

另外，比较图2的3个衍射峰，发现其{111}面的衍射峰，2θ角约为42°，随着烧结温度升高，其衍射峰有向高角度方向偏移的趋势，这是由于烧结过程中，Mn向Cu中进行单向扩散[8-9]，而Mn原子半径大于Cu原子半径，随着扩散过程的进行，Mn在Cn原子中的含量提高，Mn原子只能以置换形式代替Cu原子的位置，因此得到的fcc(γ-MnCu)基体的半径变大，从而导致了基体的晶格畸变所造成的。这一现象也证明了随着烧结温度升高，Cu、Mn元素互溶越充分，反应烧结越完全。

图2　3种烧结合金的X射线衍射图谱

图3表示了常温下M2052合金的阻尼性能随频率变化的规律，可以看到在0.1～100 Hz范围，粉末冶金法制备的M2052合金具有良好的阻尼能力，制备的M2052合金的阻尼性能受频率变化影响不大。其中950℃下反应烧结制备的M2052合金的阻尼性能优异，在不同频率下阻尼性能表现稳定，表征阻尼能力的损耗角正切tanδ平均达到了0.1，最高值接近0.12。结合表1和图1、2，说明烧结形成更完全的fcc(γ-MnCu)固溶体，有利于提高该合金的阻尼能力。

图3M2052合金0.1～100 Hz范围的常温阻尼能力

Fig 3 Variation of damping ability with Frequency

研究采用单质Mn、Cu、Fe、Ni反应形成M2052合金，Mn、Cu为其主要元素，因此其反应烧结过程可以参考Mn-Cu合金相图[11]来解释。从相图中可看出，Mn-Cu二元合金在871℃温度以下形成的是γCu和γMn混溶相，在871℃以上温度，存在γCu和γMn的固、液相线。有研究表明，单质Mn、Cu合金粉反应烧结时，存在Mn向Cu的单向扩散过程[8]。在900～950℃温度范围内烧结时，Mn向γCu中扩散，造成γCu中Mn元素含量升高而进入液相区，因此该烧结过程中会出现液相。随着烧结温度升高，γCu液相线的Mn元素含量降低，因此烧结温度越高，越容易出现液相，并且液相的量也越多。

液相的形成是一个时间过程，液相的形成速率与烧结温度，升温速率及合金成分有关。因为温度是影响扩散速率的最主要因素。温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数也越大。因此900℃下烧结温度低，较950℃烧结的扩散速度慢，烧结过程中形成的液相较少，Mn单质未反应完全，形成烧结颈的面积和尺寸也比950℃下烧结的合金要小。随着烧结温度升高，液相传质增加，液相形成速率加快，反应生成的液相逐渐增多。液相不断形成，使得Mn和Cu逐渐反应完全，在950℃烧结得到fcc(γ-MnCu)单一相。这一结果与X-Ray测试结果一致。

图4是M2052合金的断口形貌，可以看出，图1(a)中1位置为烧结过程形成液相的光滑内表面(液相在毛细力作用下，液相发生流动并填充孔隙空间，形成了光滑内表面，内表面的面积与烧结温度，烧结气氛等相关)，而图1(a)中2位置为金属断裂面的烧结颈区域。比较图1(a)、(b)两图可明显看出950℃烧结的M2052合金孔隙连通性好，烧结颈面积较大，液相形成量也比在900℃下烧结的合金要多，证明高温下反应烧结过程进行更完全，晶粒结晶度高。由于物质传递是通过流动，变形来实现的，烧结结果产生致密化及强度增加。随着烧结过程的进行，各接触点处开始形成颈部，并逐渐扩大，最后烧结成一个整体。结合表1数据可看出，随着烧结温度提高，物质加速扩散，致密化程度逐渐增加。当烧结温度为950℃时，制备出合金的密度约为6.23 g/cm3，致密度为87.2%。并且在950℃下烧结的M2052合金密度最大，合金的抗弯强度也最高，达到了487 MPa。

图4M2052合金的断口形貌

Fig 4 The fracture morphology of the M2052 alloy

图3显示室温下测试的M2052合金阻尼能力随频率变化不大。950℃烧结合金损耗角正切高达0.11～0.12，表现出高的阻尼能力。鉴于该合金为烧结态，未进行淬火处理，因此不存在马氏体相变引起的孪晶阻尼机制。多孔结构的内耗特性和该合金的固有位错阻尼应该是起高阻尼能力的来源。

对于多孔材料，由于孔洞本身弹性模量近乎为零的软质性，孔洞与基体中的大量界面的共同作用产生内耗。由于合金在烧结过程中会形成液相，液相凝固过程中会形成很大的热应力。使孔隙在整个样品中分布很不均匀(尺寸、形状和分布等)，有些地方产生很大应力集中，甚至产生热裂纹。在内耗测量过程中，孔周围应力状态由正应力转变为剪切应力，或反之。内部的应力、应变状态从而会受到干扰。与此同时，在宏观孔周围会同时出现一个不均匀的应力场，引起孔的膨胀(或收缩)和畸变，相应产生了膨胀能和畸变能[10]。

能量吸收能力是指每单位体积所吸收的能量,用C表示[12]。

(1)

能量吸收特性的第二个参数是能量吸收率,用E表示[13]。

(2)

(3)

σys表示基体材料的屈服应力，φ是孔棱占孔洞的固体分数，ρ*是多孔材料的等效密度，其值与孔隙率成反比，ρs表示基体材料密度，P0是闭孔孔洞内流体压强，Pat是大气压强，C1和C2为常数，可以看到，σpl的大小与多孔材料的基体强度和等效密度成正比，与材料的孔隙率成反比。从式(2)、(3)可看出多孔MnCu合金的吸能特性与屈服强度σ，应变ε有直接关系，而屈服强度与多孔合金密度、孔径、孔结构分布等密切相关。在基体金属材料一定的情况下，随密度的增加多孔M2052合金的吸能特性明显增强。

位错阻尼是另一个重要来源。位错阻尼也称钉扎模型，即Granato-Lucke模型[14]。当发生外界振动时，材料内部会发生位错的运动，使其在具有空位、溶质原子等弱钉扎点处发生雪崩式的脱钉。而后在强钉扎点如位错网节点以及沉淀相等处周围形成位错环，引起应力的松弛以及机械动能的消耗。

另一方面，孔洞的存在对阻尼能力有着很大的影响。900℃烧结的M2052合金反应烧结不完全，部分Mn未进行反应残留在了合金中，且烧结合金的孔隙分布不均匀，孔洞无规则性。而950℃下烧结的M2052合金孔有球化的趋势，合金化完全，结晶度高，得到晶粒的尺寸大小平均。在基体金属材料一定的情况下,随着合金密度的增加，多孔M2052合金的吸能特性明显增强。另外，孔壁中还会残留一些微观孔洞和裂纹，这是由于金属降温过程中，部分气体过饱和析出而分布在孔壁中[15-20]。因此，除了孔隙与基体之间所形成的界面外，内部还存在其它大量微观和宏观的缺陷。当外力作用于材料上时，将对这样1种应力状态产生干扰，使之不均匀应变状态加剧，引起缺陷区域内原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的，因而引起粘弹性应变，造成外加能量的损耗[21]。因此950℃烧结合金更符合孔隙内耗和位错阻尼机理从而表现出较高的阻尼能力。

3　结　论

通过反应烧结制备M2052合金，烧结过程中会形成液相，随烧结温度的升高，反应烧结更完全，得到γ-MnCu固溶体。

950℃下烧结M2052合金基本上为γ-MnCu固溶体，密度为6.23 g/cm3，致密度为87.2%，抗弯强度达到了487 MPa，并具有良好的阻尼性能，不同频率下的阻尼性能表现稳定，损耗因子tanδ达到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

中南大学贵重仪器设备开放共享基金资助项目(CSUZC201531)

2015-08-14

2016-03-24 通讯作者：罗丰华，E-mail:fenghualuo@csu.edu.cn

王铸博(1991-)，男，长沙人，在读硕士，师承罗丰华教授，从事锰铜阻尼合金研究。

TG135; TG146

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.09.041