0 引言

振动问题广泛存在于航空、航天、舰船和兵器等领域。振动会导致零件、部件和系统的提前失效,影响装备的安全性、可靠性和寿命,也影响到人的舒适度。因此,近年来,振动问题引起了人们的普遍关注,迫切需要引入减振措施来减小或消除振动的危害。迄今,减振有3种途径,即降低振源的振动、优化结构设计(结构减振)和借助材料(内耗)阻尼(材料减振)。在振源和结构确定时,材料减振成为十分重要的途径。但对常用金属材料,如铝合金、钛合金、钢和高温合金等,其阻尼性能较差;镁合金具有较好的阻尼性能,但强度偏低、耐蚀性能差[1-4]。而其他传统阻尼合金的密度较大,通常为5～9 g/cm3,难以满足应用要求[5-7]。为满足航空、航天、舰船和兵器等领域的减振要求,需要研制和应用轻质的阻尼铝基复合材料。本文结合北京航空材料研究(航材院,BIAM)在阻尼铝基复合材料方面的研究,总结了国内外阻尼铝基复合材料在材料制备、典型性能、验证试验等方面的研究进展,并展望该类材料的应用前景。

1 材料制备研究进展

1.1 组成设计

金属材料的阻尼性能的贡献来自于其中的空位、位错、晶界、相界、孪晶界、磁畴壁等的移动,引起应力松弛和将外界机械振动能转化为热能而耗散[1,8]。阻尼性能常采用DMA或DMTA仪三点弯曲模式测试,采用损失角正切值(tan φ)表征[9],即:

(1)

式(1)中,E″和E′分别为损耗模量和储能模量(又称为动态模量,与杨氏模量相当)。

阻尼性能可采用损失值正切值(tan φ)、内耗值(Q-1)、损失系数(η)、比阻尼或阻尼系数(ψ)、对数衰减率(δ)等表示。当tan φ不超过0.1,阻尼性能通常采用tan φ或Q-1表示,这些量之间可以互换[1],即:

(2)

常用金属材料,如铝合金、钛合金、钢等的阻尼性能 (tan φ)均不超过0.004[10-11]。对阻尼合金,阻尼性能tan φ通常达到0.006以上;当tan φ达到0.01以上时,被称为高阻尼金属或高阻尼合金[1,8,12]。但传统阻尼合金存在密度偏大或强度偏低的问题。

阻尼铝基复合材料主要以铝合金为基体,通过加入阻尼性能较好的石墨颗粒(Gr)或Zn-Al合金,制成复合材料,通过Gr和Zn-Al合金的內禀阻尼和复合材料中的位错阻尼或界面阻尼等机制提高复合材料的阻尼性能[4,9,13-16]。国内外设计和制备的典型高性能阻尼铝基复合材料主要有:美国加州大学欧文分校的6061Al/16vol.%Gr、6061/10.5vol.%Gr/ 10.5vol.%SiCp复合材料,中南大学的ZA22/LF4/ZA22层状复合板(其中,ZA22为Zn-22wt.%Al合金,LF4为5083合金)和7050Al/5vol.%Gr复合材料,郑州大学的6061/14vol.%Gr/1vol.%SiCp复合材料[17-22]。采用添加Gr颗粒制备的阻尼复合材料仍然存在强度、弹性模量和塑性偏低等问题;而采用阻尼铝基复合板存在各向异性和分层的问题。

针对上述阻尼铝基复合材料存在的问题,国内航材院运用金属/金属粉末复合、金属/金属/陶瓷粉末复合的思路设计同时兼顾各向同性、强度和韧性的阻尼铝基复合材料。研制的典型阻尼铝基复合材料系列为:2xxx/Zn-Al、2xxx/Zn-Al/SiCp;6xxx/Zn-Al、6xxx/Zn-Al/SiCp;7xxx/Zn-Al、7xxx/Zn-Al/SiCp;8xxx/Zn-Al、8xxx/Zn-Al/SiCp。这些材料的基体分别为2xxx、6xxx、7xxx和8xxx系铝合金,Zn-Al属于复相型阻尼合金。其中,7xxx/Zn-Al和8xxx/Zn-Al系列比较成熟;Zn-Al合金主要采用Zn-30wt.%Al(ZA30)合金。目前已形成了LJ5A(FMS/ZA30)、LZ7(7093/5wt.%ZA30)等牌号。其中,LJ5A包括LJ5A1(FMS0714/15wt.%ZA30)和LJ5A2(FMS0918/5wt.%ZA30)。LJ5A和 LZ7分别以FMS系高温铝合金、7093高强铝合金作基体,属于金属/金属复合材料。由于LJ5A和LZ7等2种牌号材料的延伸率较高,分别与2xxx和7xxx系铝合金相近,因此也将其分别称为高温型和高强型阻尼铝合金。在LZ7基础上,再加入13vol.%～15vol.%SiC颗粒,设计了LZ7H(7093/Zn-Al/SiCp)SiC颗粒增强阻尼铝基复合材料。在这些阻尼铝基复合材料中,FMS、7093等铝合金主要贡献力学性能,Zn-Al阻尼合金及引入的FMS/Zn-Al、7093/Zn-Al、Zn-Al/SiC等界面主要贡献阻尼性能,SiC颗粒的加入主要改善弹性模量、疲劳性能、耐磨性能。这种组成设计,使得LJ5A、LZ7系列阻尼铝基复合材料具有优良的力学性能、阻尼性能和较低的密度。这些阻尼铝基复合材料属于新型轻质阻尼金属材料,航材院拥有自主知识产权。

1.2 制备工艺

国内外制备阻尼铝基复合材料的典型工艺包括[5,6,13,16,23]:铸锭冶金(ingot metallurgy,I/M)、喷射沉积(spray deposition,SD)和粉末冶金(powder metallurgy,P/M)。美国加州大学欧文分校采用SD工艺制备了6061Al/16vol.%Gr、6061/10.5vol.%Gr/10.5vol.%SiCp等阻尼铝基复合材料[17]。国内中南大学采用I/M和P/M工艺分别制备了ZA22/LF4/ZA22层状复合板和7050Al/5vol.%Gr复合材料[19,21]。航材院采用P/M工艺来制备了LJ5A1、LJ5A2、 LZ7、LZ7H等阻尼铝基复合材料[23]。与I/M相比,SD和P/M工艺可以细化晶粒,同时提供粉末/粉末颗粒边界,增加了界面面积。另外,P/M工艺的制备温度低于阻尼合金或铝合金的熔点,一方面保留了基体铝合金和阻尼合金的特性,同时增加了铝合金/铝合金、铝合金/阻尼合金等粉末界面,有助于获得良好的力学和阻尼综合性能,因此,P/M工艺比较适合用于制备阻尼铝基复合材料。制备阻尼铝基复合材料的典型的P/M工艺流程包括雾化制粉、混合或球磨、除气、热压、热加工(挤压、锻压和轧制)、热处理等工序[23]。

航材院采用自主研发的P/M制备专有技术制备坯料,与相关热加工生产单位合作,目前可以制备和提供的阻尼铝基复合材料的品种和规格见表1。图1示出了其中的LJ5A1小规格棒材(t12 mm)的微观组织[23]。

由图1可以看出,采用P/M工艺制备的LJ5A1的组织中,ZA30合金粉末表面的Zn元素均扩散在其周围的基体中。ZA30阻尼合金粉末及其中的α/α、α/β、β/β相界面、ZA30/FMS界面等的存在,有利于改善LJ5A系列材料的阻尼性能[24]。

阻尼铝基复合材料未来还需要形成更完整的产品品种和规格,建立起成熟的材料制备和热处理工艺。同时为适应装备降成本的发展需求,未来有必要开发短流程、低成本的P/M制备工艺。目前引起人们广泛关注的增材制造成形技术,有希望用于制备复杂形状阻尼铝基复合材料零件。

2 典型性能研究进展

迄今国内外有关阻尼铝基复合材料的性能报道仍然较少。美国加州大学欧文分校的SD 6061Al/16vol.%Gr和6061/10.5vol.%Gr/10.5vol.%SiCp,国内中南大学的I/M ZA22/LF4/ZA22层状复合板和P/M 7050Al/5vol.%Gr、郑州大学的P/M 6061/14vol.%SiCp/ 1vol.%Gr等阻尼铝基复合材料等,主要研究了阻尼性能、弹性模量和拉伸性能等。国内航材院采用相关的标准(见表2)研究了LJ5A1、LJ5A2、LZ7和LZ7H等阻尼铝基复合材料的阻尼性能、密度、线膨胀系数、拉伸性能、疲劳性能和耐蚀性能等。

2.1 阻尼性能

美国加州大学欧文分校、国内的中南大学和郑州大学制备的含Gr的铝基复合材料、中南大学制备的含ZA22的层状复合板均显示出良好的阻尼性能,其Q-1(tan φ)可达到10-2以上。航材院采用P/M工艺制备含ZA30铝基复合材料也显示良好的阻尼性能。图2给出了P/M ZA30阻尼合金的阻尼性能温度谱[24]。由图2可以看出,组成LJ5A1、LJ5A2和LZ7、LZ7H的RS P/M ZA30阻尼合金具有良好的阻尼性能。室温和250 ℃的阻尼性能分别达到10-2和0.142。图3对比了 P/M LJ5A1、LJ5A2阻尼铝基复合材料和I/M 2A70的阻尼性能温度谱[24]。由图3可以看出,室温至250 ℃范围,LJ5A1、LJ5A2的阻尼性能明显优于2A70合金。

表3给出了国内外阻尼铝基复合材料和铝合金阻尼性能[13,19-22,24-28]。表3中同时给出了2A70、7A09等变形铝合金的阻尼性能。这些结果均来自纵向试样。由表3可以看出,阻尼铝基复合材料的室温阻尼性能(Q-1)达到(6～15)×10-3。LJ5A1、ZA22/LF4/ZA22、6061Al/ 16vol.%Gr和6061Al/10.5vol.%SiCp/ 10.5vol.%Gr的室温阻尼性能均达到或超高1.0×10-2,达到了高阻尼合金的阻尼性能水平。其中,LJ5A1、LJ5A2、LZ7的室温阻尼性能比2A70和7A09铝合金高1～3倍。而LJ5A1、LJ5A2高温型阻尼铝基复合材料的阻尼性能优于LZ7高强型阻尼铝基复合材料。这与2种材料的基体不同有关,LJ5A的基体合金FMS属于弥散强化型合金,LZ7的基体属于沉淀强化型合金[29-30]。通过粉末冶金形成的FMS/ZA30界面比7093 ZA30更有利于改善材料的阻尼性能。

2.2 密度

阻尼铝基复合材料与常用金属材料的密度对比见图4[19,21,24-27]。7050Al/5vol.%Gr的密度与2A70、7A09等铝合金相近,LJ5A1、LJ5A2、LZ7和LZ7H的密度比2A70和7A09铝合金的略大,但不超过3.2 g/cm3,属于轻质金属材料。与钛合金相比,阻尼铝基复合材料可减重约30%;与铜、镍、钢和铸铁相比,阻尼铝基复合材料可减重55%以上。

2.3 线膨胀系数

LJ5A、LZ7阻尼铝基复合材料与变形铝合金的线膨胀系数对比见图5[26]。由图5可以看出,在测试温度范围,LJ5A2的平均线膨胀系数与2A70铝合金的相当,LZ7的平均线膨胀系数比7A09变形合金的略小。

2.4 拉伸性能

表4给出了国内外典型阻尼铝基复合材料和铝合金的拉伸性能对比[13,17-21,24-26]。这些结果均来自纵向试样。其中,LJ5A1、LJ5A2的室温和高温拉伸性能与2A70铝合金的相近;7050Al/5vol.%Gr、LZ7和LZ7H的室温和高温拉伸性能与7A09铝合金的相当。LZ7的低温拉伸性能与7A09铝合金的相当。与ZA22/LF4/ZA22(层压板)、6061Al/16vol.%Gr、6061Al/10.5vol.%SiCp/10.5vol.%Gr和7050Al/5vol.%Gr相比,LJ5A、LZ7具有更高的强度和延伸率,LZ7H具有更高的强度。

表5给出了LJ5A2、LZ7阻尼铝基复合材料稳定化处理后的室温拉伸性能。这些结果均来自纵向试样。表5中同时给出了2A70锻件和7A09锻件的稳定化处理后的室温拉伸性能[26]。对LJ5A2,125～150 ℃/100 h稳定化处理后,室温拉伸性能无明显变化,与2A70合金对应的室温拉伸性能相近,在150 ℃下具有良好的热稳定性。对LZ7,125 ℃/50～100 h稳定化处理后,室温拉伸性能无明显变化,与7A09合金对应的室温拉伸性能相近,在125 ℃下具有良好的热稳定性。

2.5 弹性模量

表6给出了国内外阻尼铝基复合材料的弹性模量[13,17,26]。这些结果均来自纵向试样。表6中同时给出了2A70、7A09铝合金的弹性模量。6061Al/16vol.%Gr、6061Al/10.5vol.%SiCp/10.5vol.% Gr的弹性模量比6061Al铝合金的略大。LJ5A1、LJ5A2的室温和高温弹性模量与2A70的相当。LZ7的弹性模量与7A09的相当。当热处理状态相同时,与LZ7锻件相比,LZ7H的弹性模量明显改善。LZ7H-T74的室温和150 ℃的弹性模量分别达到94 GPa和89 GPa;其室温和150 ℃的弹性模量比7A09的分别提高32%和41%。

2.6 疲劳性能

目前国内外含Gr的阻尼铝基复合材料的疲劳性能未见报道。表7给出了LJ5A2、LZ7、LZ7H阻尼铝基复合材料的室温轴向高周疲劳性能。这些结果均来自纵向试样。表7中同时给出了2A70和7A09变形铝合金的疲劳性能数据[26]。由表7可以看出,当R=0.5时,LJ5A2、LZ7的轴向高周疲劳性能分别略优于2A70和7A09合金。当R=-1时,当最大应力为240 MPa时,LZ7H-T73的疲劳寿命优于LZ7H-T74;LZ7H的疲劳性能明显优于LZ7,疲劳寿命提高1倍以上。

2.7 耐蚀性能

国内外有关阻尼铝基复合材料耐蚀性能的研究仅有少量报道。中南大学开展了6061/SiCp/Gr的海水腐蚀行为的研究,结果表明,6061/SiCp/Gr的腐蚀速率是6061合金的100倍[31]。在海水或海洋环境下应用时需要进行表面保护。航材研究了LJ5A的抗应力腐蚀性能、LZ7的剥落腐蚀性能,结果表明,LJ5A高温型阻尼铝基复合材料的抗应力腐蚀性能优于2A70。LZ7高强型阻尼铝基复合材料的T6态试样的剥落腐蚀略严重,T73态和T74态试样的剥落腐蚀差异不明显。3种热处理状态的LZ7试样的剥蚀等级均为EB级或EA。LZ7的耐蚀性能与7xxx系铝合金相当。

上述典型性能研究结果表明,同国内外制备的含Gr的阻尼铝基复合材料相比,航材院采用粉末冶金工艺制备的包含ZA30的LJ5A、LZ7等金属/金属复合的阻尼铝基复合材料具有良好的强度、韧性、疲劳和阻尼性能,综合性能更佳。LJ5A的物理和力学性能与2A70等2xxx系铝合金的相近,阻尼性能比2A70高1～3倍以上。LZ7的物理和力学性能与7A09等7xxx系等铝合金的相近,阻尼性能比7A09高1倍以上。LZ7与SiC颗粒复合制备的LZ7H具有更高的弹性模量和优良的疲劳性能。这些阻尼铝基复合材料适合用于制备承力结构件。未来需要进一步积累LJ5A、LZ7、LZ7H等阻尼铝基复合材料的断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率、盐雾腐蚀等性能数据,建立性能数据库,为各种应用场景的设计选材和应用奠定基础。

3 验证试验研究进展

有关阻尼铝基复合材料减振效果的验证试验结果很少,国外尚未见到公开报道,国内仅有少量报道。

3.1 ZA22/LF4/ZA22层压板

中南大学ZA22/LF4/ZA22层压板与对比铝合金板对比结构进行了振动和冲击试验验证。结果表明[20],该阻尼层压板的阻尼比比2A12(LY12)铝合金高一个数量级;在共振频率下,振动响应比2A12低5 dB;受迫振动时力激振和运动激振的传递率比2A12低一个数量级。

3.2 LJ5A梁

沈阳飞机设计研究所采用航材院LJ5A(LJ5A2)阻尼铝基复合材料锻件加工工字梁与ARALL(芳轮纤维增强铝合金层板)组装成新结构航炮[32-33]。新结构1为2A70+ARALL板;新结构2为LJ5A+ARALL板。与原结构的2A70+2A12组装的炮舱在进行了炮击振动的动应力对比测试,结果见表8[32-33]。由表8可以看出,采用LJ5A+ARALL板的组合结构比原结构的动应力下降44%～51%;LJ5A+ARALL板比2A70+ARALL板的动应力下降20%～40%。因此,采用LJ5A代替2A70,可实现减振20%～40%。

3.3 LZ7盒段

南京航空航天大学采用航材院LZ7阻尼铝基复合材料板材(t=2 mm)和型材加工的阻尼炮舱盒段,与原结构7xxx系铝合金炮舱盒段在进行了激振对比试验,相同位置点的响应速度测试结果见表9[34]。

由表9可以看出,在相同的激振力(15.1 N)时,LZ7盒段的1～3阶的速度响应值明显小于7xxx系铝合金盒段,证实LZ7阻尼铝基复合材料比7xxx系铝合金具有更好的减振效果。

3.4 LJ5A支撑构件

中国电科光电研究院采用航材院LJ5A阻尼铝基复合材料带板加工了光电设备壳体U形支撑构件,与原结构2A12铝合金 U形支撑构件在进行了电磁振动试验动应力对比测试,结果见表10[35]。与2A12铝合金相比,采用LJ5A阻尼铝基复合材料U形支撑构件时,光电设备壳体及内部的水平响应均方根加速度下降10%左右。

迄今,有关阻尼铝基复合材料零件的减振效果的验证实例仍然偏少。未来需要结合各种应用场景,设计模拟零件,分类进行阻尼铝基复合材料应用验证,建立材料阻尼性能与减振效果之间的关系,积累验证试验结果数据,为设计选材和应用提供参考。

4 应用前景

目前可进入应用的阻尼铝基复合材料包括:ZA22/LF4/ZA22、6061Al/10.5vol.%SiCp/10.5vol.%Gr、6061Al/16vol.%Gr、7050Al/5vol.%Gr、LJ5A、LZ7、LZ7H等。这些材料中,ZA22/LF4/ZA22仅能加工成板材。7050Al/5vol.%Gr、6061Al/10.5vol.%SiCp/10.5vol.%Gr、6061Al/16vol.%Gr、LZ7、LZ7H具有良好的热加工成形工艺性能,可生产挤压棒材、型材、轧制板材和锻件。LJ5A由于基体属于弥散强化合金、热加工成形工艺性能较差,成形难度大,适合制备热压锭和挤压棒材。

ZA22/LF4/ZA22复合板适合用作隔振器件。含Gr的6061Al/10.5vol.%SiCp/10.5vol.%Gr、6061Al/16vol.%Gr、7050Al/5vol.%Gr和含ZA30的LJ5A、LZ7、LZ7H等阻尼铝基复合材料适合用作结构件。这些阻尼铝基复合材料可用来生产装备需要减振的结构件,包括与振源相关的结构件和与光电设备相关的构件。优先应用方向是针对航空、航天、舰船和兵器等领域装备因振动问题出现或存在问题的零件,如飞机的座椅、炮舱、弹舱、腹鳍、发动机连接杆、减速板、空速管,直升机尾传动轴、传动机匣、轴承套,发动机入口导叶、无人机平台、卫星平台、桁架、机载设备和电子仪器仪表的安装壳体、支架、隔振平台等、兵器装备空压机机叶轮等[36-53]。

5 未来展望

采用I/M、SD、P/M工艺可以制备出力学性能与铝合金相当、阻尼性能比铝合金提高1～3倍的阻尼铝基复合材料。迄今已形成了Al合金/Gr(/SiCp)、ZA22/Al合金/ZA22和Al合金/ZA30(/SiCp)等系列的高性能阻尼铝基复合材料。其中,采用粉末冶金工艺制备的LJ5A、LZ7、LZ7H等具有较好的综合性能,可制备出棒材、型材、板材和锻件等产品。未来的研究方向包括进一步优化材料组成和制备工艺、改进性能、降低密度、完善制品种类、规格、补充性能数据、增加应用场景验证和降低成本等。随着研究的拓展,预计未来将推出更为成熟的中强高阻尼、高温阻尼、高强阻尼和高强/高模抗疲劳阻尼等多种型号的高性能阻尼铝基复合材料。随着未来装备发展对轻质阻尼减振材料的需求的不断增加,这些阻尼铝基复合材料在航空、航天、舰船和兵器等领域有良好的应用前景。

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Research progress and prospects of application for damping aluminum matrix composites

LI Peiyong

(AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract：Vibration-reduction for the equipments in areas of aeronautics, aerospace, ship and ordnance, needs the structural materials with good damping capacity. However, common metal structural materials exhibit poor damping capacity, and conventional damping alloys possess high density or lower strength, thus, it is very necessary to develop light-weight structural materials with good damping capacity. Among light-weight damping structural materials, damping aluminum matrix composites have been received great attention. So far, in domestic and abroad, for damping aluminum matrix composites, great progress in materials manufacturing, typical properties and the effect of vibration reduction has been made, showing good prospect for applications. At present, two series of damping composites, including (Al alloy)/Gr(/SiCp) and (Al alloy)/(Zn-Al)(/SiCp), have successfully been developed. These composites possess the room-temperature damping capacity (Q-1) of (6～15)×10-3, about 1～3 times higher than that of conventional aluminum alloys, while exhibiting the similar mechanical properties to 2xxx or 7xxx series aluminum alloys. As compared with the corresponding aluminum alloy counterpart, the parts of damping aluminum matrix composites can realize vibration-reduction at 20%～40%. These damping composites may be used as structural parts near vibration sources and supporting parts for optoelectronic equipment. Future directions for damping aluminum matrix composites include further improving properties, decreasing density, increasing product types, establishing the property data set, strengthening the test of verification and reducing cost.

Key words：damping; light-weight; aluminum matrix composite; properties; effect of vibration-reduction; applications

本文引用格式：李沛勇.阻尼铝基复合材料的研究进展和应用前景[J].兵器装备工程学报,2024,45(8):280-289.

Citation format：LI Peiyong.Research progress and prospects of application for damping aluminum matrix composites[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2024,45(8):280-289.

中图分类号：TJ8; TB331

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2024)08-0280-10

doi：10.11809/bqzbgcxb2024.08.037

收稿日期：2023-10-01;修回日期:2023-10-26;录用日期:2023-12-13

作者简介：李沛勇(1967—),男,博士,研究员,E-mail:pyli@vip.163.com。

科学编辑 杨继森 博士 (重庆理工大学 教授)

责任编辑 唐定国