2024年5月3日发(作者：)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.1

(22)申请日 2014.01.17

(71)申请人 西安交通大学

地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号

(72)发明人 王宇 廖晓奇 黄崇辉 杨森 宋晓平

(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任公司

代理人 蔡和平

(51)

C22C30/00

C22C1/02

C22F1/00

(10)申请公布号 CN 103789597 A

(43)申请公布日 2014.05.14

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

方法

(57)摘要

本发明公布了一种高阻尼形状记忆

一种高阻尼形状记忆合金及其制备

合金及其制备方法，该形状记忆合金的化

学式为Ni

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种高阻尼形状记忆合金，其特征在于，该形状记忆合金的化学式为

Ni_55-xCu_xMn₂₅Ga₂₀，其

中，0≤x≤6。

2.一种如权利要求1所述的高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在于，

按照Ni_55-xCu_xMn₂₅Ga₂₀

炉中并

的化学计量比，将Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼

抽真空，然后充入氩气并在电流为90-110A条件下进行熔炼得到铸锭，

合

3.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

4.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

5.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

于，所述氩气的纯度为99.99%。

于，所述抽真空为抽至真空度小于4.5×10^-3Pa。

于，所述Ni、Cu、Mn和Ga单质的纯度均大于99.9%。

再将铸锭反复熔炼后进行高温固溶处理并淬火至室温，得到高阻尼形状记忆

金。

6.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

7.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

8.根据权利要求2所述的一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，其特征在

于，所述熔炼的时间为30s-60s。

于，所述反复熔炼的次数为三至六次。

于，所述高温固溶处理的温度为800-900℃。

说 明 书

技术领域

本发明属于阻尼合金材料领域，具体涉及一种高阻尼形状记忆合金及其制

背景技术

阻尼或内耗(Damping)是指材料损耗振动能或声能并转化为热能等其他形式

忆

能量的能力。阻尼越大，材料的减振能力越强。阻尼效应与超塑性、形状记

特性一起被称为材料的三大功能特性。一般常用的金属材料（如，铝

合金、钛合金和钢等）的阻尼性能很低(Q^-

Mg、Fe、Ni、

备方法。

合金、铜

1≤10^-2)。而一些特殊的金属材料（如

Zn-Al、Mg-Zr、Mn-Cu等）的阻尼性能比较高(Q^-1≥10^-2)，

称为高

根据阻尼机制的不同，高阻尼合金可分为四大类：（1）来源于相界或晶界

粘滞性的复合型阻尼合金，如Fe-C-Si、Al-Zn等；（2）来源于磁畴壁不可

移的阻尼合金，如Fe-Cr、Fe-Cr-Al、Co-Ni以及Fe、Ni等；（3）来

动以及位错与点缺陷交互作用的位错型阻尼合金，如Mg、

于热弹性马氏体孪晶界移动的阻尼形状记忆合金，

Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al和Ni-Ti等。

阻尼合金(HIDALLOYS)。

逆位

源于位错运

Mg-Zr等；（4）来源

如Mn-Cu、Mn-Cu-Al、

形状记忆合金中由孪晶界移动引起的阻尼效应具有的不随频率变化的高稳

方

定性、随振幅增加阻尼峰变宽且峰值增大等优势，同时也具有成本低、制备

法简单的优点，对阻尼合金的发展意义重大，具有广阔的应用前景。

状记忆合金的孪晶界移动型阻尼峰出现的温度都比较低

环境温度区间(250-400K)的阻尼形状记忆合金很

然而，形

(<300K)，能够完全覆盖

少。Ti‐Ni阻尼形状记忆合金中 由H与孪晶

应用温界的相互作用导致的弛豫阻尼值可以达到0.04‐0.2之间，但是其可

度区间(200‐260K)比环境温度低。【参考文献：(1)Genlian Fan,Yumei Zhou,

Ni–Fe

alloy[J].APPLIED PHYSICS LETTERS89,161902(2006).(2),,

s of frequency,composition,hydrogen and twin boundary density on the

internal friction of Ti50Ni50‐

5221–5229.】Mn‐

suka,et

Kazuhiro Otsuka,and Xiaobing igh damping in R‐phase state of Ti–

xCuxshape memory alloys[J].Acta Materialia54(2006)

30Cu阻尼形状记忆合金在300K以下才具有较高的阻尼特性(Q^‐1＞

0.04)，也低于环境温度范围。【参考文献：,chi,,A.

合

Sakurai,,.46(2005)2164.】最近有研究报道，Ti–45Pd–5Cr

金在250K‐450K的温度区内有高阻尼平台(Q^‐1≈0.05）

掺入H后，阻尼峰值Q^‐1可增加到

高阻尼效应覆盖了环境温度

料Pd，价格非常高，

出现；当Ti–45Pd–5Cr合金

0.09，温度区间为305K‐370K，因此该合金的

区间。但是，由于Ti–45Pd–5Cr合金中含有贵金属原

极大的限制了它的实际应用。【参考文献：,,D.

Xue,et damping capacity in a wide ambient‐temperature range in

hydrogen‐doped and hydrogen‐free Ti–45Pd–5Cr martensitic alloy[J].Scripta

Materialia61(2009)805–808.】研究还发现，

Ni_52.3Mn_27.4Ga_20.3单晶样品在370K

附近具有很高的孪晶型阻尼峰(Q^-1>0.1)。【参考文献：

,n,

Ga

erg et ature dependence of the damping properties of Ni–Mn–

alloys[J].Materials Science and Engineering A,481–482(2008)314–317.】

于Ni-Mn-Ga单晶的制备工艺复杂，大规模生产的难度很大，

很大制约。因此，开发覆盖环境温区、宽温域且制备方

产的高阻尼形状记忆合金显得尤为迫切。

但是，由

其实际应用也受到

法简单、适合大规模生

发明内容

本发明的目的在于提供一种高阻尼形状记忆合金及其制备方法，制得的高

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为Ni_55-

xCu_xMn₂₅Ga₂₀，

一种高阻尼形状记忆合金的制备方法，按照Ni_55-

xCu_xMn₂₅Ga₂₀的化学计量

比，将Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中并抽真空，然后充入氩气

电流为90-110A条件下进行熔炼得到铸锭，再将铸锭反复熔炼后进

处理并淬火至室温，得到高阻尼形状记忆合金。

其中，0≤x≤6。

阻尼形状记忆合金的阻尼峰完全覆盖环境温度区间，并且制备过程工艺简单，

原料成本价格低。

并在

行高温固溶

所述Ni、Cu、Mn和Ga单质的纯度均大于99.9%。

所述抽真空为抽至真空度小于4.5×10^-3Pa。

所述氩气的纯度为99.99%。

所述熔炼的时间为30s-60s。

所述反复熔炼的次数为三至六次。

所述高温固溶处理的温度为800-900℃。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明选择

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀作基体 并用Cu取代

Ni，制得Ni_55-xCuxMn₂₅Ga₂₀，本发明制备

工艺简单，具有较强的 实际应用性，可以实现大规模生产。对所制备的

尼测试，Ni_55-xCuxMn₂₅Ga₂₀样品进行阻

测试结果表明样品的阻尼峰可以完全覆盖环境温度区间250K-400K

（Q^-1≥0.03对应的温度范围），且不随频率、成分变化。当

到最大值0.0771，阻尼温度范围完全覆盖了环境温度区

用性，克服了现有技

本发明采用原

忆合金

x=6时，其阻尼值达

间，具有较强的实际应

术中高阻尼合金在宽环境温度范围内实际应用性差的问题。

料价格低，克服了现有用于环境温度的Ti–45Pd–5Cr高阻尼形状记

价格昂贵的缺点。

附图说明

图1为Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀合金的内耗曲线；

图2为Ni₅₃Cu₂Mn₂₅Ga₂₀合金的

内耗曲线；

图3为Ni₅₁Cu₄Mn₂₅Ga₂₀合金的

内耗曲线；

图4为Ni₄₉Cu₆Mn₂₅Ga₂₀合金的

内耗曲线。

具体实施方式

本发明中高阻尼形状记忆合金，选择

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀作基体并用Cu取代Ni，

即Ni_55-xCu_xMn₂₅Ga₂₀系

形状记忆合金

的孪晶

合金。这一特有合金系的创新性设计思路如下：首先，

的孪晶型阻尼峰只能出现远低于其马氏体相变温度处，要想让它

型阻尼峰高于室温，必须将其马氏体相变温度提升至远高于室温以上。

因此，我们选择马氏体相变点高达320℃的

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀合金作为基体。其次，

变

孪晶型阻尼峰所处的温度离马氏体相变点越近，马氏体孪晶的模量变低晶格

软，导致更多的马氏体孪晶界在外力下发生移动，进而产生更大的阻

孪晶型阻尼峰的温度主要取决于马氏体结构对掺杂不敏感【参尼效应。

考文献：,Y.

Zhou,,,ra,,,a,,

Effects of frequency,composition,hydrogen and twin boundary density on the

internal friction of Ti50Ni50-xCux shape memory alloys,Acta Materialia54,(2006)

5221-5229】，而马氏体相变点对掺杂非常敏感【参考文献：

Physical metallurgy of Ti-Ni-

Science50,(2005)511-678】。

,,

based shape memory alloys,Progress in Materials

因此，可以利用适当的掺杂缩短孪晶型阻尼峰的温

度与马氏体相变点的差距，以达到提高孪晶型阻尼峰值的目的。在

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀合金中用适量的Cu取代Ni正

好能够实现这一目的，而且掺Cu能够很好的提高

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀的韧性，改善其力学性

能，增强实用性。

本发明提供的高阻尼形状记忆合金的阻尼峰完全覆盖环境温度区间，制备

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明中的实施例1-4均采用以下测试条件：采用美国TA公司生产的Q800

动态力学分析仪(Dynamic Mechanical Analysis)对实施例1-4中的样品，进行

耗的测试，测试过程中选用单悬臂梁夹具，测试时振幅为5μm，频

0.2/0.4/1/4/20Hz。

过程工艺简单，原料成本价格低，具有实际应用价值。

了内

率依次为

实施例1

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀的化学计量 比，将

纯度大于99.9%的Ni、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并抽真空达到

4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的氩气进行熔炼，

的条件下熔炼一分钟得到铸锭，熔炼过程中为保证合金

铸锭反复熔炼五次后经900℃固溶处理并淬火至

合金。

在电流为110A

成分均匀，将熔炼所得

室温，最终得到高阻尼形状记忆

对x=0的样品进行了内耗测试，得到了如图1所示的测量结果。从图1中

可以看到，未掺杂Ni₅₅Mn₂₅Ga₂₀合金

高温区域出现的与马氏体相的内耗曲线上出现两个内耗峰，一个是在

变相关的内耗峰(IF_TM)，另一个是孪晶型内耗峰

(IF_TBM)，其内耗峰为Q^-1≈0.0314。

实施例2

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₃Cu₂Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₃Cu₂Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为110A的条件下熔炼一分钟得到铸锭，熔炼过

炼所得铸锭反复熔炼五次后经900℃固溶

状记忆合金。

抽真

氩气进行熔炼，在电流

程中为保证合金成分均匀，将熔

处理并淬火至室温，最终得到高阻尼形

对x=2的测试样品进行了内耗测试，得到了如图2所示的测量结果。从图2

中可以看到，Cu掺杂得到的

Ni₅₃Cu₂Mn₂₅Ga₂₀合金内耗曲线

上依然出现两个内耗 峰，对比图1可知与马氏体相变相关的内耗峰向

变宽且也向低温方向移动

值(Q^-

低温移动，同时孪晶型内耗峰

(124.44→119.62℃)。与x=0的合金相比孪晶型内耗峰

1≈0.0330)有微小增加，合金阻尼性能有所提升。

实施例3

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₁Cu₄Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₁Cu₄Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为110A的条件下熔炼一分钟得到铸锭，熔炼过

炼所得铸锭反复熔炼五次后经900℃固溶

状记忆合金。。

抽真

氩气进行熔炼，在电流

程中为保证合金成分均匀，将熔

处理并淬火至室温，最终得到高阻尼形

对x=4的测试样品进行了内耗测试，得到了如图3所示的测量结果。从图3

中可以看到，随着Cu掺杂含量增加与马氏体相变相关的内耗峰的位置继续

温移动，曲线上两个内耗峰之间距离减小。孪晶型内耗峰变宽且向低

(119.62→109.10℃)，孪晶型内耗

阻尼性能明显

向低

温移动

峰的峰值(Q^-1≈0.0490)变大，此成分阻尼合金的

提高。

实施例4

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₄₉Cu₆Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₄₉Cu₆Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为110A的条件下熔炼一分钟得到铸锭，熔炼过

炼所得铸锭反复熔炼五次后经900℃固溶

状记忆合金。

抽真

氩气进行熔炼，在电流

程中为保证合金成分均匀，将熔

处理并淬火至室温，最终得到高阻尼形

对x=6的测试样品进行了内耗测试，得到了如图4所示的测量结果。从图4

中可以看到，Cu掺杂含量进一步增加使得

Ni₄₉Cu₆Mn₂₅Ga₂₀合金的内耗曲

线上 两个内耗峰小部分重合，此时孪晶型阻尼峰位置基本不变

峰形加宽。孪晶型内耗峰峰值（Q^-

状记忆合金。

(109.10→110.38℃)，

1≈0.0771）显著增大，得到了高阻尼性能的形

实施例5

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₄Cu₁Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₄Cu₁Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为90A的条件下熔炼30s得到铸锭，熔炼过程

反复熔炼三次后经800℃固溶处理并淬火

抽真

氩气进行熔炼，在电流

中为保证合金成分均匀，将铸锭

至室温，得到高阻尼形状记忆合金。

实施例6

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₂Cu₃Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₂Cu₃Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为100A的条件下熔炼40s得到铸锭，熔炼过程

所得铸锭反复熔炼四次后经840℃固溶处

合金。

抽真

氩气进行熔炼，在电流

中为保证合金成分均匀，将熔炼

理并淬火至室温，得到高阻尼形状记忆

实施例7

一种高阻尼形状记忆合金，该形状记忆合金的化学式为

Ni₅₀Cu₅Mn₂₅Ga₂₀。

本实施例中形状记忆合金的制备方法如下：按照

Ni₅₂Cu₃Mn₂₅Ga₂₀的化学计

量比，将纯度大于99.9%的Ni、Cu、Mn和Ga单质放入电弧熔炼炉中，并

空达到4.5×10^-3Pa以下，然后快速充入纯度为99.99%的

为110A的条件下熔炼50s得到铸锭，熔炼过程

所得铸锭反复熔炼六次，再铸锭经870℃

状记忆合金。

抽真

氩气进行熔炼，在电流

中为保证合金成分均匀，将熔炼

固溶处理后淬火至室温，得到高阻尼形

本发明对所制备的Ni_55-xCuxMn₂₅Ga₂₀样品

进行阻尼测试表明，样品的阻尼 峰可以完全覆盖环境温度区间250K-

频率、成分变

品原料

400K（Q^-1≥0.03对应的温度范围），且不随

化。如图1-4所示，当x=6时，其阻尼值达到最大值0.0771。该样

价格低，克服了现有用于环境温度的Ti–45Pd–5Cr高阻尼形状记忆合金价

规

格昂贵的缺点，此外其制备工艺简单，具有较强的实际应用性，可以实现大

模生产。