激光选区熔化成形MnCu合金的阻尼性能及形状记忆效应研究

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MnCu合金是一种优秀的高阻尼减振合金,目前采用传统的铸造和锻造方法进行制造,但对于高锰含量和复杂形状的MnCu合金零件制造存在困难。激光选区熔化成形(SLM)技术能够一步直接实现难熔、高强高硬、难加工材料及几乎任意复杂结构金属构件的制造,是解决MnCu合金制造难题的先进方法。因此,本课题基于Mn、Cu元素混合粉末利用SLM技术成形MnCu合金,研究了SLM技术制备MnCu合金的成形性、显微组织、力学性能、阻尼性能及形状记忆效应,并通过热处理对组织和性能进行了优化调控。主要结论如下:
  (1)SLM技术能制备出高致密度的MnCu合金,最高的致密度能达到99.8%,气孔是主要冶金缺陷。随着Mn含量由60%增加到85%,MnCu合金的SLM成形工艺窗口变窄,成形质量变差。SLM成形MnCu合金的显微组织均由单相γ-MnCu固溶体组成,晶粒内部富锰而晶界富铜。只有高锰的85Mn15Cu合金在室温能够发生Fcc-Fct马氏体转变,但中锰MnCu合金可以通过后续的时效处理实现Fcc-Fct马氏体转变,并同时析出α-Mn第二相。
  (2)随着Mn含量的增加,SLM成形态MnCu合金的拉伸性能逐渐变差。直接时效热处理后,MnCu合金的延伸率会变差;固溶热处理后,MnCu合金具有最高的延伸率,但强度较低;固溶+时效热处理后,MnCu合金具有较好的综合拉伸性能。SLM成形70Mn30Cu合金经过900℃×1h+400℃×2h固溶时效热处理后的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达622MPa、379MPa和19.5%,达到了铸造水平。
  (3)随着Mn含量的增加,SLM成形态MnCu合金的阻尼性能增加,但只有85Mn15Cu合金达到了高阻尼水平。热处理能显著提高MnCu合金的阻尼性能,均能达到高阻尼水平,其中SLM成形60Mn40Cu合金最佳的热处理制度为900℃×1h+430℃×2h,Tanδ值为0.050;SLM成形70Mn30Cu合金最佳的热处理制度为900℃×1h+430℃×1h,Tanδ值为0.071;SLM成形85Mn15Cu合金最佳的热处理制度为900℃×1h+400℃×2h,Tanδ值为0.036。
  (4)与中锰MnCu合金不同,SLM成形的高锰85Mn15Cu合金在室温下就具有形状记忆效应,且最大单程可恢复应变为1.12%,最大双程可恢复应变为0.49%,达到了铸造水平。热处理能提高MnCu合金的形状记忆效应,但60Mn40Cu合金仍达不到铸造水平,而70Mn30Cu和85Mn15Cu合金经过固溶时效热处理后,能达到铸造水平。综合来看:SLM成形70Mn30Cu合金经过900℃×1h+400℃×2h固溶时效处理后,能兼顾力学性能、阻尼性能和形状记忆效应。抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达622MPa、379MPa和19.5%;在100μm的应变振幅下,Tanδ值为0.054;最大单程可恢复应变为1.25%,最大双程可恢复应变为0.55%。
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