一种NbB阻尼合金体系的组织与阻尼性能关系确定方法

摘要

本发明公开了一种NbB阻尼合金体系的组织与阻尼性能关系确定方法：采用高纯Nb棒、高纯B粉按照25Nb-xB（at%）（x=0.15,0.3,0.45,0.5）的配比进行称量；将高纯B粉进行压片；熔炼；制成β相NbxB高阻尼材料；将准备好的试样进行XRD、DMA、OM、SEM和TEM测试，将结果进行分析并建立组织与阻尼性能之间一定的关系。该发明提供了新型体系的高阻尼合金性能与组织之间较直观的关系，为今后通过微观组织观察而估算合金阻尼性能提供思路与方法。

说明书

技术领域：

本发明通过熔炼的方法制备β相NbxB高阻尼材料。涉及用熔炼方法制备一种易制备、性能好的新体系高阻尼材料，分析其组织与性能并建立二者之间一定的关系。该发明中B的含量为0.15-0.5（at%）之间，以NbxB（x=0.15,0.3,0.45,0.5）（at%）为例。 

背景技术：

伴随现代工业的飞速发展，各种机械设备要求更高的使用精度和更长的使用寿命，而振动和噪声会严重影响设备的使用精度和使用寿命。例如，战斗机作为一种超高速飞行的航空器，其发动机高速运转时会产生巨大的振动能，这会加速发动机的性能恶化甚至导致其他零部件性能恶化，进一步的恶化就可能导致机身材料破坏、断裂，从而导致战斗机解体。因此，近年用于振动和噪声控制的阻尼合金颇受世界各发达国家所重视，并发展迅速。尤其是在较为恶劣的环境中使用的材料，高阻尼合金比起传统合金的优越性则更为明显。 

通过位错移动等机制而研发的高阻尼合金由于本身机制等局限性，阻尼性能恶化情况明显。近年，产生了一种基于Snoek弛豫机制的新型高阻尼合金——Ti-Nb系高阻尼合金。根据Snoek弛豫理论，体心立方结构（bcc）合金在外应力作用下，八面体间隙中的小半径原子（如C、N和O等）会定向地向近邻八面体间隙位置运动，并在此过程中造成能量耗散。因为该扩散过程可重复发生而不破坏合金中的相结构，所以这种阻尼合金具有可重复使用性，其使用寿命有望比其他类型阻尼合金更长久。 

发明内容：

本发明以Nb-xB（at%）（x=0.15,0.3,0.45,0.5）合金为例建立NbB体系高阻尼合金；采用熔炼方法进行制备并分析其组织与性能，具体技术方案如下。 

第一步：原材料的称量，采用高纯Nb棒、高纯B粉按照25Nb-xB（at%）（x=0.15,0.3,0.45,0.5）的配比进行称量。 

第二步：将高纯B粉进行压片，压力为8MPa，时间为3min。 

第三步：将准备好的材料放置于真空熔炼炉中进行熔炼，保证试样完全熔融5次以确保均匀性。 

第四步：冷却后的试样经过机加工和打磨、腐蚀步骤，制成β相NbxB高阻尼材料，用于性能与组织测试。 

第五步：将准备好的试样进行XRD、DMA、OM、SEM和TEM测试，将结果进行分析并建立组织与阻尼性能之间一定的关系。 

本发明的原理是：根据小半径原子基于点缺陷的Snoek弛豫效应中发挥的作用以研发新的高阻尼合金体系。力求将合金的阻尼性能与微观组织联系起来，建立二者之间一个较为直 观的关系。C、N、O等小半径原子在上述钛合金体系中作为间隙原子的应用较为广泛，近年来的研究集中在上述体系中添加其他合金元素改善其性能。本发明则致力于研究出在性能、制作工艺以及经济方面有所突破的新体系。硼原子作为常见的非金属原子，在物理化学性质上与高阻尼钛合金中常用的间隙原子C、N和O等类似但添加方法更为简单、添加量更为精确、合金制备更加简单经济。B的添加量不同就意味着会对合金的组织性能造成影响，而组织和阻尼性能之间又存在一定内在的关系，所以随着B添加量的增加，组织和阻尼性能是按照一定规律发生变化的。 

本发明的优点在于： 

1、硼原子作为Snoek弛豫效应中的小半径间隙原子更易添加至相应的高阻尼钛合金中，添加量的可控性和精确度提高，合金制备更加简单经济，为以后的规模应用提供基础。 

2、本发明采用熔炼方法制备，Nb0.3B在可达到最高阻尼性能，为0.032。 

3、本发明制备的Nb0.3B在频率为10HZ下的峰值温度最高为340℃，显著右移。可保证该发明所制备的合金在较高温度下具有较好的阻尼性能。 

4、本发明制备的NbB合金在B添加量小于0.3at%时，阻尼性能上升，且相分析及微观组织观察均未发现第二相存在，当B的添加量为0.45-0.5at%时，出现第二相，此时性能出现下降。经过具体分析可建立阻尼性能与微观组织的关系。 

附图说明：

图1为熔炼方法制备的不同成分Nb-xB（x=0.15,0.3,0.45,0.5）（at%）高阻尼合金的X-ray衍射图谱，其中β相为合金主要组成相。 

图2为熔炼方法制备的不同成分Nb-xB（x=0.15,0.3,0.45,0.5）（at%）高阻尼合金在相同频率下的阻尼值—温度关系曲线。其中（a）的振动频率为0.1Hz，（b）的振动频率为1Hz，（c）的振动频率为10Hz. 

图3为Nb-xB（x=0.15,0.3,0.45,0.5）（at%）高阻尼合金的金相照片。Nb0.15B(a),Nb0.3B(b),Nb0.45B(c),Nb0.5B(d)。 

图4为Nb0.45B（a）和Nb0.5B（b）的扫描电镜照片。 

图5为Nb0.3B（a）和Nb0.45B（b）的透射电镜照片，以及Nb0.45B中第二相的高分辨照片（c）。 

具体实施方式：

采用粉末冶金方法制备Nb-xB(at%)（x=0.15,0.3,0.45,0.5）合金。 

1、原材料的称量，采用高纯Nb棒、高纯B粉按照25Nb-xB（at%）（x=0.15,0.3,0.45,0.5）的配比进行称量。 

2、将高纯B粉进行压片，压力为8MPa，时间为3min。 

3、将准备好的材料放置于真空熔炼炉中进行熔炼，保证试样完全熔融5次以确保均匀 性。 

4、试样加工：利用电火花线切割机切割合金锭获得XRD试样和20.0mm×5.0mm×1.0mm的DMA测试试样和3mm见方的块状试样用于相分析及微观组织观察。 

5、试样处理与测试：选择不同粗糙度的水砂纸，由粗到细打磨（粒度360-2000），获得符合测试要求的XRD衍射试样、阻尼试样和压缩试样。XRD实验结果见附图1，阻尼性能测试在TA-Q800型动态力学分析仪（DMA）上进行，测试条件见表1。合金的阻尼性能和杨氏模量曲线见附图2。 

表1DMA测试条件选择 

除DMA测试之外，采用如下腐蚀剂：HF:HNO3:HO2=1:2:47对用砂纸打磨后的块状试样进行腐蚀处理，之后进行微观组织观察和分析。 

6、通过分析可知，在Nb0.15B和Nb0.3B中，阻尼性能为上升趋势，在光镜、扫描电镜和透射电镜中均为发现第二相，即证明B原子的添加在0.3at%之前可完全固溶进入Nb中，继续添加B原子得到的Nb0.45B和Nb0.5B的阻尼性能相较Nb0.3B出现了下降，且通过相分析和微观组织观察出现第二相。 

7、分析透射电镜高分辨照片，计算第二相的晶面间距并与PDF卡片进行比对，得到与XRD衍射图谱相同的结果，该第二相为Nb和B的金属间化合物B₂Nb₃。