1前言现代高技术的发展对工程材料提出了越来越苛刻的要求，恶劣的使用环境要求材料既具有良好 的力学性能又具有高的阻尼减震降噪能力［’］。在高阻尼结构材料制备方面，虽有不少人一直致 力于合金性能的改进，但一直未取得突破性进展，其根本原因在于金属材料和粘弹性材料在结构上 的巨大差异不可能通过传统的合金化来消除‘］。因此高阻尼结构材料的发展必须抛开传统思路， 从制备技术入手来开发不同材料的优势。R．J．Perez等率先对对喷雾共沉积过程进行了较 为深入的研究［’，杨留栓等‘］对喷雾沉积含硅ZA27合金阻尼性能、摩擦磨损性能和高温蠕 变性能进行了研究，并取得了明显的进展。本文依据材料设计的基本原理，选取常温条件下具有较 高阻尼能力和力学性能的ZA27合金为研究对象，综合运用合金化、变质和快速凝固技术细化约 束阻尼机构，同时通过喷雾共沉积技术添加不同颗粒（S几、石墨）来探索制备高阻尼材料的途径 ，考察挤压对材料阻尼性能的影响，并对制备材料的主要的内耗机制进行分析。2实验方法2．回 试样制备所选基体合金成分为标准ZA27合金，添加50mg．g－‘St和sing．g－’ Ce（这里Ce王要起细化变质和改善界面润湿状况作用）「＼首先将预制ZA27加入石墨柑捐 ，在电阻炉中熔化，在53O℃加入碎片结晶St并不断搅拌；待St全部溶解后将金属液过热至 760℃保温15－20min然后降温至77T加入AI－l8Ce中间合金，升温至74O℃ 静置10min，最后转人卧式喷雾共沉法装置制备沉积毛坯。所用石墨为上海肢体化工厂生产的 名义粒度为4pm的胶体石墨粉剂F－l，SIC为郑州第二砂轮厂生产的名义粒度为4pm的绿 色SICo石墨、SIC分别在流化床内随高速气流射火喷射体（编号分别为2‘3）；为了对比 ，还制备了相同成分但不含石墨和S江颗粒的喷雾沉积基体材料和常规铸造ZA27合金（编号分 别为1、4）。所有材料均在中部切取阻尼性能试样和金相试样。2．2挤压工艺挤压时先将沉积 材料墩粗成律材，然后将棒材在280T等温热挤，挤压比为6．9；挤压后棒材经240℃Zh 固溶处理，96℃时效Zh。取试样横截面做金相组织观察，沿挤压方向切取阻尼性能试样。2． 3内耗测量内耗测量在声额内耗仪完成。试样用电火花线切割成最后尺寸2Inunx2．lrn mx73mm；测量频率为loptSHz，温度范围为30～150℃。3实验结果3．1。挤 压前材料的内耗温度谱材料在特定温度点的内耗值见表1。可以看出，所有材料的内耗值随温度的 升高而逐渐上升；材料经喷雾沉积成形后阻尼能力有所提高（2．2倍），这主要与快速凝固工艺 过程中晶粒显著细化有关；材料经复合成形后，在测试温度范围内材料的阻尼能力有很大程度的提 高，石墨对阻尼性能的增强效果优于SIC（分别为常规铸造ZA27合金的3．叨和3．38倍 ）。表1制备材料挤压前在各温度点的高频内耗值3．2挤压后材料的内耗温度话挤压后材料在特 定温度的内耗值见表Zo可以看出，挤压后材料的内耗值变化趋势与挤压以前大致相同，其数值大 小均有所提高。唯一不同的是含石墨、SIC复合材料的内耗值大致相当（约为常规铸造ZAZ合 金的4．3倍）。表2制备材料挤压后在各温度点的高频内耗值3．3金相组织图1为广材料试样 的微观组织形貌，它主要由白色a（川）相。黑色富St和细层片状共折体组成。由于Ce在中间 合金中主要以高熔点稀土相AbCe；；的形式存在，并与a（AI）相有很好的共格对应关系， 起到了结晶衬底的作用。材料经快速冷却成形和Ce变质后，晶粒组织进一步细化，有利于材料性 能的提高。对比图2中不同复合材料的界面形态可以看出，石墨与片层状共折体之间以弱界面结合 的方式存在，从图地中Ce成分的线扫描线可以看出，加入微量Ce显著改善了SIC与基体的界 面润湿状况，因此SIC与片层状共桥体之间以强结合的方式存在。不同的界面形式是导致复合材 料间性能差异的主要原因。图if＃材料微观组织X4000图2复合材料界面形态X5000（ a）石墨（b）s兀4讨论4．1材料的内耗机制从前面实验结果可以看出，所有制备材料都具有 较高的阻尼能力。首先来分析广材料起主要作用的内耗机制。材料内部的能量耗散主要来源于两个 方面：一是热滞弹性阻尼［’3，二是微观晶体结构缺陷阻尼，这主要是指沉积多晶材料中的点缺 陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、相界）和体缺陷（微孔、细裂纹）的不 可逆运动引起的能量损耗。在喷雾沉积材料中，相间界面、晶界以及微孔和细小裂纹对材料阻尼性 能的提高有着不可忽视的影响。从图1可以看出，大量弥散分布的富St相和a（AI）相与基体 之间的界面以及有共格对应关系的细密层片共析体界面对材料阻尼性能的提高有着不可忽视的影响 ，上述两类界面对阻尼性能提高的贡献可用SChoeck理论来解释。该理论指出材料的共格与 半共格界面均有利于材料内耗值的提高，其中提高的程度受界面的数量、形状和体积分数大小的影 响。材料的内耗值随沉积体中界面体积分数的增加而提高。喷雾沉积材料中的微孔是由于凝固速度 和沉积速度之间的不协调以及气体的侵入而形成的［‘j。而细小裂纹却是由于沉积过程中材料内 部处于不均匀应力状态而形成的。微孔和细小裂纹处的局部应力集中引起的能量耗散同样也使材料 的阻尼性能得以提高。4．2颗粒复合对材料内耗机制的影响由图Za可以看出，石墨与基体之间 只是一个结合力相对较弱的界面。共沉积前石墨颗粒虽经严格除水汽处理，但并没完全消除表层吸 气和吸附的其他杂质；同时石墨本身为密排六万层状结构，层间结合力较弱，在一扭转等复杂应力 状态时产生层间滑移是必然的。根据Nelson等提出的弱界面滑移模型［’，‘3。当外加应 力大于界面结合力时，石墨相与基体金属之间必然产生滑移，与基体之间的界面滑移产生摩擦耗能 是内耗产生的主要因素。而SIC与基体结合状况良好，颗粒与基体的滑移阻力较大，不利于材料 阻尼性能的进～步提高。4．3挤压对材料内耗机制的影响材料经热挤压成形以后，材料的阻尼性 能进一步提高（约为常规铸造ZA27合金的4．3倍），这主要与技压及后续时效处理工艺有关 。首先材料经挤压以后晶粒进一步得以细化；其次挤压后的时效处理使快凝时形成的过饱和固溶体 脱溶析出，从而使其阻尼、力学性能进一步得以改善。挤压材料阻尼性能的提高应该从过饱和固溶 体元素的析出和大量点、线。面缺陷的形成来加以解释。由于析出的脱溶相仍然与基体有很好的共 格对应关系，界面的增多必然导致材料内耗性能大大提高，其内耗机制可用前面讨论过的Scho eck理论来解释。挤压后材料除晶粒显著细化以外，同时热加工过程空位。位错等缺陷的大量形 成并在承受应力条件厂的不可逆运动（如空位的移动、位错的增殖和攀移等）而损耗部分能量，从 而进一步提高了材料的阻尼能力。内耗机制的变化导致复合材料界面的影响退居次要地位，同时挤 压改善了石墨／基体之间的结合状况，是含五墨石地复合材料在挤压后内耗值相当的主要原因。5 结论1）30℃时含石墨石地复合材料的阻尼能力较常规铸造ZA27合金分别提高2．90和3 ．38倍；挤压后两种复合材料内耗值相当接近（约为常规铸造ZA27合金的4．3倍）。2） 添加剂与基体界面结合方式的不同导致了上述材料内耗值的变化规律。喷雾共沉积颗粒增强锌基复 合材料的高频内耗@刘永长$西北工业大学凝固技术国家重点实验室!西安，710072@薛玉 芳$西北工业大学凝固技术国家重点实验室!西安，710072@杨锦程$西北工业大学凝固技 术国家重点实验室!西安，710072@杨根仓$西北工业大学凝固技术国家重点实验室!西安 ，710072喷雾共沉积;;
锌基合金;;
复合材料;;高频内耗采用喷雾共沉积技术在ZA2 7合金中添加50mg．g－1Si制备了体积分数为10％的石墨、SiC增强锌基复合材料。 用声频内耗仪对挤压前后材料的高频内耗行为进行了测量。结果发现，30℃时石墨、SiC增强 复合材料的阻尼能力较常规铸造ZA27合金分别提高2．90和2.38倍；挤压后两种复合材料内耗值相当接近（约为常规铸造ZA27合金的4．3倍）。在微观组织形貌分析基础上探讨了石墨、SiC颗粒对复合材料内耗机制的影响。1刘永长。西北工业大学硕士学位论文,1997年3月
2杨根仓.航空科学技术.1994(3):12~13,30
3 R J Perez,J Zhang,M N Gungor,E J Lavernia.Metall Trans A 1993(24):701~712
4杨留栓.西北工业大学博士学位论文,1995年7月
5 Liu Yongchang,Lu Yili,Yang Gencang et al Trans Nonferrors Met Soc China 7(4),1997:94~8
6葛庭燧.第二届全国固体内耗与超产衰减学术会言论文集,北京原子能出版社,1989:19~20
7 D J Nelson,J W Hancock.J Mater Sci 131978:24~29
8 N N Kishore,A Ghosh,B D Agarwal. J Reinforced Plast Comp 1982(1):353
9 D L Zhang,B Cantor EUROMAT 91,Vol. 2:197国家自然科学基金!59671026;;中科院内耗与超声衰减开放实验室开放基金! B96003。微孔和细小裂纹处的局部应力集中引起的能量耗散同样也使材料的阻尼性能得以提 高。4．2颗粒复合对材料内耗机制的影响由图Za可以看出，石墨与基体之间只是一个结合力相 对较弱的界面。共沉积前石墨颗粒虽经严格除水汽处理，但并没完全消除表层吸气和吸附的其他杂质；同时石墨本身为密排
More abstracts about the 喷雾共沉积颗粒增强锌基复合材料的高频内耗