一种用于制作工程结构框架耗能器的复合稀土铜锌铝形状记忆合金

摘要

本发明涉及一种用于制作工程结构框架耗能器的复合稀土铜锌铝形状记忆合金，其特征为：其成分为Zn23.4％－25％，Al3.4％－3.5％，Ni0.9％－1.0％，余为铜。冶炼过程中，加入复合稀土细化剂0.06％－0.09％，熔炼后浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理后去除表面2－3mm的脱锌层，再锻打至1lmm厚的板材，最后轧制成3mm薄板。然后进行热处理。用获得的复合稀土铜锌铝形状记忆合金材料制造出结构简单的形状记忆合金耗能器，减震效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及铜锌铝形状记忆合金技术领域，特别涉及一种复合稀土铜锌铝形状记忆合金，用于制作工程结构框架耗能器。

背景技术

由于形状记忆合金的可恢复应变量高，变形过程中加载与卸载不相重合而形成滞回环，因此可消耗大量能量，达到耗能减振的目的。工程上现有的一些减振装置在应用中体现出一些局限性：例如老化和耐久性的问题，长期工作的可靠性、在强振后的更新和替换问题以及在强振后无法恢复等等。在工程领域，利用记忆合金材料的独特性能开发和研制适于工程领域的驱动器和耗能器，已成为研究的一个热点。形状记忆合金具有形状记忆效应及超弹性效应，可将常温下为超弹性状态的形状记忆合金与隔震装置结合，一方面在震动过程中利用形状记忆合金的超弹性滞回耗能耗散震动能量，另一方面当装置在震动作用后产生残余变形时，利用形状记忆合金超弹性性能产生的恢复力，使隔震装置复位，因此其它材料是无法与之相比的。

本发明针对这一问题，开发了一种用复合稀土铜锌铝记忆合金材料制作工程结构耗能器。经过查询，未见有相关专利发表。

发明内容

本发明涉及一种用于制作工程结构框架耗能器的复合稀土铜锌铝形状记忆合金，其特征为：其成分为Zn23.4％-25％，Al3.4％-3.5％，Ni0.9％-1.0％，余为铜。冶炼过程中，加入复合稀土细化剂(其中：La45.5％，Ce44.9％，Pr7.7％，Nd1.9％)0.06％-0.09％，熔炼后浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，再锻打至11mm厚的板材，最后轧制成3mm薄板。然后进行热处理，其具体工艺为：850℃保温30分钟后淬入室温油中，再进行150℃油中(保温30分钟)和50℃水中(保温15分钟)两级时效处理。利用获得的复合稀土铜锌铝形状记忆合金材料，可用于制造结构简单的形状记忆合金耗能器。其具体尺寸可以根据使用的实际要求确定，结构图如图1所示。

上述用于制作工程结构框架耗能器的复合稀土铜锌铝形状记忆合金，成分可优选为：Zn24.12％，Al3.46％，Ni0.98％，余为铜，以保证获得合金相变点Af为-10℃；复合稀土细化剂添加量可优选为0.07％。

附图说明

图1复合稀土铜锌铝形状记忆合金耗能器的结构图

图2安装复合稀土铜锌铝形状记忆合金耗能器工程结构框架图

图3分别安装普通耗能器和复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器框架减振效果比较

具体实施方式

实施例1

按照本发明方法，以电解铜、0#锌和00#铝为原材料，经中频感应电炉熔炼，冶炼过程中，加入复合稀土细化剂(其中：La45.5％，Ce44.9％，Pr7.7％，Nd1.9％)0.06％，熔炼后浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。经分析，其成分为Zn23.6％，Al3.49％，Ni0.91％，余为铜。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，再锻打至11mm厚的板材，最后轧制成3mm薄板。然后进行热处理，其具体工艺为：850℃保温30分钟后淬入室温油中，再进行150℃油中(保温30分钟)和50℃水中(保温15分钟)两级时效处理。

将上述制备出的复合稀土铜锌铝形状记忆合金，安装在如图2所示的工程框架结构上。当框架振动时，机构受力变形，复合稀土铜锌铝形状记忆合金耗能器同时也变形。当复合稀土铜锌铝形状记忆合金耗能器处于马氏体状态时，利用合金板的正、反向弯曲变形所产生的滞回耗能来进行结构的振动控制，而省去了材料的加热、冷却过程，简化了控制装置及控制过程；当复合稀土铜锌铝形状记忆合金耗能器处于奥氏体状态时，由于形状记忆合金的伪弹性作用，在很大的变形范围内合金板的变形将在框架振动回复到平衡位置时恢复，此过程同时耗散了工程框架结构在使用过程中引起的机械能，减震效果良好。

实施例2

按照本发明方法，以电解铜、0#锌和00#铝为原材料，经中频感应电炉熔炼，冶炼过程中，加入复合稀土细化剂(其中：La45.5％，Ce44.9％，Pr7.7％，Nd1.9％)0.07％，熔炼后浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。经分析，其成分为Zn24.10％，Al3.46％，Ni0.98％，余为铜。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后去除表面2-3mm的脱锌层，再锻打至11mm厚的板材，最后轧制成3mm薄板。然后进行热处理，其具体工艺为：850℃保温30分钟后淬入室温油中，再进行150℃油中(保温30分钟)和50℃水中(保温15分钟)两级时效处理。

将上述制备出的复合稀土铜锌铝形状记忆合金，安装在如图2所示的工程框架结构上，减震效果很好。

图3给出了分别安装普通耗能器和复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器框架减振的衰减效果比较。普通耗能器的前五次变形尚在其弹性范围之内，所以能够起到增加结构整体刚度，提高结构阻尼，加速振动衰减的作用。但是到了第七次振动时，普通耗能器“松弛”，超出弹性回复范围发生永久塑性变形。此时，在同样的初始约束下，普通耗能器不再能够起到增加结构刚度的作用，也就不再能够减振，图3(a)示意了普通耗能器经历了数次循环的减振情况。而安装复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器使用多次以后，减振效果并未减退，其优势就得到充分体现，图3(b)示意了其循环使用五次、二十次以后良好的减振性能。很明显，而安装复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器的框架重复使用性较好，多次使用后仍然有良好的减振效果。

经过对比实验可以看出，见表1，装上复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器以后，框架结构振动的固有频率明显下降，振幅衰减率η最低为0.112698，而未装上复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器振幅衰减率η最低仍为0.866540，见表2。显然安装上复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器后、由于框架的振动频率大幅下降，在工程应用中利用此特性可以改变结构的振动频率从而使框架避开共振。当结构在外部周期应力作用下发生共振时，振动的振幅与能量最大，结构承受的破坏也最大，若是能够降低结构的固有频率，使其远离共振频率，则使结构不易发生疲劳而有利于结构的长期使用。装上复合稀土铜锌铝记忆合金耗能器后的框架满足了这一要求。

表1未装记忆合金耗能器和装上记忆合金耗能器后的两个框架的振动对比

  未装记忆合金的耗能器  安装记忆合金的耗能器  衰减时间T_x  振幅衰减率η  衰减时间T_x  振幅衰减率η  11  22  34  45  56  0.963314  0.915244  0.881088  0.882985  0.866540  9  18  28  38  49  0.470168  0.298317  0.224885  0.168791  0.112698