一种CuAlMn形状记忆合金晶粒的细化方法
【技术领域】
[0001 ]本发明的技术方案涉及改变铜基合金的物理结构，具体地说是一种CuAIMn形状记 忆合金晶粒的细化方法。
【背景技术】
[0002] 铜基形状记忆合金是一类重要的阻尼材料，该类材料除了具有高的阻尼本领外， 同时亦有着优良的形状记忆性能以及高的导电和导热能力，加上其与NiTi形状记忆合金相 比价格低廉，近些年来受到了人们越来越多的关注。然而，作为一类实用性材料，铜基形状 记忆合金至今仍存在易发生沿晶断裂，从而导致强度及韧性较差的问题，这已严重阻碍了 该类材料的进一步发展与应用。因此，铜基形状记忆合金的强韧化研究势在必行。人们深入 的研究分析认为，铜基形状记忆合金易发生沿晶断裂主要是由其过于粗大的晶粒所造成 的，粗大的晶粒会导致合金在变形过程中在晶界面上产生大的位移，为了维持晶粒间的协 调性，势必会在晶界处产生大的应力集中。假如这种应力集中得不到松弛，裂纹就会产生。 因此，为协调晶粒变形、避免应力集中产生以防止开裂，最有效的手段就是细化晶粒。
[0003] 近些年来，人们在铜基形状记忆合金晶粒细化方面已做了较多的工作现有技术中 开发的方法包括快速凝固法、粉末冶金法、元素添加法、以及熔体搅拌、机械振动和超声振 荡法。然而，据已有研究成果可知，采用粉末冶金法制造铜基形状记忆合金，其工艺参数难 以控制;熔体搅拌、机械振动和超声振荡等对金属材料晶粒的细化效果有限，即难以获得超 细晶粒的合金;快速凝固法虽可获得超细晶粒的合金，但其难以制得尺寸较大的产品，且所 得产品的有序度较低和相变点不稳定，从而难以实用；比较而言，元素添加法具有简单、易 操作、细化效果显著、且所制备产品不受尺寸限制等优点。多人已报道过采用元素添加法对 CuAIMn形状记忆合金进行细化的案例（[1 ] Y · Sutou，T · Omori，N · Koeda，R · Kaimuma，et al.Effects of grain size and texture on damping properties of CuAlMn-based shape memory alloys.Materials Science and Engineering A,2006,438-440:743-746. [2]J. Chen ,Z. Li ,Y.Y. Zhao . A high-working-temperature CuAlMnZr shape memory alloy. Journal of Alloys and Compounds ,2009,480:481-484.[3]Y.Sutou,T.Omori, R.Kainuma,et al.Grain size dependence of pseudoelasticity in polycrystalline CuAlMn-based shape memory alloy.Acta Materialia，2013,61:3842_3850.)D然而，上述 案例所披露的对CuAIMn形状记忆合金进行细化的效果有限，仍需开发新的晶粒细化的方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化方法， 通过设计新型孕育剂，并利用其变质细化作用对待细化CuAIMn形状记忆合金的晶粒进行细 化，克服了现有技术对CuAIMn形状记忆合金进行细化的效果有限的缺陷，使得现有CuAIMn 形状记忆合金的力学性能及低温阻尼性能同时获得显著提高。
[0005] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:一种CuAIMn形状记忆合金晶粒的细 化方法，步骤如下：
[0006] 第一步，制备孕育剂Cu51Zn4:
[OOO7 ]按Cu5i Zr 14所示成分的原子数比为Cu: Zr = 51:14，分别称取所需质量的原料纯Cu 和纯Zr进行配料，然后放入非自耗型真空电弧炉内，抽真空至5 X l(T3Pa后开始通电并起弧 熔炼，待配料全部熔化后浇注，将浇注得到的合金翻置后在与上述同样条件下重新熔炼，如 此重复3~5次后制得Cu 51Zr14孕育剂，然后对所制得的孕育剂Cu51Zr14进行粉碎处理，待用； [0008] 第二步，CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化：
[0009]取所需质量的成分配比为Cu-11.9%Al-2.5%Mn的铜基形状记忆合金置于中频感 应电炉内熔化，然后移至井式坩埚炉内，并于1090~1100°C保温5~8分钟后投入该铜基形 状记忆合金总质量0.1~1.0%的第一步所制得的粉碎处理后的孕育剂Cu 51Zn4,搅拌10~ 15秒钟并撇渣后浇入钢制模具中，由此完成CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化，上述百分数 为质量百分数。
[0010] 上述一种CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化方法，所述第二步中投入该铜基形状记 忆合金总质量优选0.9%的第一步所制得的粉碎处理后的孕育剂Cu51Zn4。
[0011 ]上述一种CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化方法，其中所用原料均为商购获得，所 涉及的工艺和设备均为本技术领域公知的。
[0012] 为了使采用上述方法进行晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金获得良好的综合性 能，调整CuAIMn形状记忆合金内部孪晶的尺寸，使得合金的力学性能与低温阻尼性能同时 获得了提高，将晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金进行如下的热处理:将采用上述方法进 行晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金升温至860~900°C并保温15分钟后投入室温的水中 淬火，然后以8~10°C/分钟的速率重新升温至330~360 °C并保温15~20分钟后投入室温的 水中，完成热处理，由此制得具有良好综合性能的CuAIMn形状记忆合金。
[0013] 本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明具有的突出的实质性特点如下：
[0014] 铜基形状记忆合金易发生沿晶断裂主要是由其过于粗大的晶粒所造成的，针对这 一难题，本发明实施了铜基形状记忆合金的晶粒细化，采取了以下综合的措施：
[0015] (1)为了使孕育剂具有更佳的细化效果，本发明方法在孕育剂使用前进行了破碎 处理，从而使得孕育剂在CuAIMn形状记忆合金熔体中更易分散均匀。
[0016] (2)为了保证Cu51Zn4能够作为有效的孕育剂而使得CuAIMn形状记忆合金的晶粒 得到显著细化，本发明方法刻意降低浇注温度，使之保持在1090~1100°C之间。在此温度区 间内，既能使得Cu5iZri4孕育剂在CuAIMn形状记忆合金恪体中分散均勾，又能保证Cu5iZri4孕 育剂不会熔化。
[0017] (3)为了在通过细化晶粒而显著提高CuAIMn形状记忆合金的力学性能的同时，亦 进一步提高其低温区的阻尼性能，而将晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金样品在淬火后重 新升温至330~360°C并保温15~20分钟后水冷。如此处理以后，CuAIMn形状记忆合金内部 具有恰当尺寸的孪晶，使得该合金在低温区由于孪晶界面的滑移耗能而具有高的阻尼本 领;该种处理工艺同时亦会使得CuAIMn形状记忆合金内部淬火空位的浓度显著降低，从而 使得该合金的阻尼性能更加稳定，发生马氏体稳定化的倾向更小。
[0018]与现有技术相比，本发明方法的显著进步如下：
[0019] (1)本发明方法系依据待细化合金的晶体结构特征而首先将所添加合金元素按固 定配比制成特定孕育剂后，再在特定温度下加入到熔融态的铜基形状记忆合金中，这有别 于熔炼铜基形状记忆合金时同时加入合金元素的方法，从而使得本发明方法较之普通的元 素添加法具有更为明显的晶粒细化效果。
[0020] (2)本发明方法的工艺及设备简单，成本低，易于实现规模化生产。
[0021 ]本发明方法也适用于其他铜基形状记忆合金晶粒的细化。
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0023]图1为本发明实施例4-9制得的具不同晶粒尺寸CuAIMn形状记忆合金的微观形貌 的扫描电镜照片，其中：
[0024] 图1 (a)为实施例4-对比实施例未加入Cu51Zm孕育剂；
[0025] 图1(b)为实施例5的投入该铜基形状记忆合金总质量0.4%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0026] 图1(c)为实施例6的投入该铜基形状记忆合金总质量0.5%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0027] 图1(d)为实施例7的投入该铜基形状记忆合金总质量0.7%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0028] 图1(e)为实施例8的投入该铜基形状记忆合金总质量0.9%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0029] 图1(f)为实施例9的投入该铜基形状记忆合金总质量1.0%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0030] 图2为本发明实施例4-9制得的具不同晶粒尺寸CuAIMn形状记忆合金的拉伸断口 形貌的扫描电镜照片，其中：
[0031] 图2(a)为实施例4-对比实施例未加入Cu51Zn4孕育剂；
[0032] 图2(b)为实施例5的投入该铜基形状记忆合金总质量0.4%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0033] 图2(c)为实施例6的投入该铜基形状记忆合金总质量0.5%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0034] 图2(d)为实施例7的投入该铜基形状记忆合金总质量0.7%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0035] 图2(e)为实施例8的投入该铜基形状记忆合金总质量0.9%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
[0036] 图2(f)为实施例9的投入该铜基形状记忆合金总质量1.0%的第一步所制得的粉 碎处理后的孕育剂Cu51Zn4 ;
【具体实施方式】 [0037] 实施例1
[0038] 第一步，制备孕育剂Cu51Zn4:
[0039 ]按CU51 Zr 14所示成分的原子数比为Cu: Zr = 51:14，分别称取所需质量的原料纯Cu 和纯Zr进行配料，然后放入非自耗型真空电弧炉内，抽真空至5 X l(T3Pa后开始通电并起弧 熔炼，待配料全部熔化后浇注，为保证合金成分的均匀性，将浇注得到的合金翻置后在与上 述同样条件下重新熔炼，如此重复3次后制得Cu 51Zr14孕育剂，然后对所制得的孕育剂 Cu5iZri4进行粉碎处理，待用；
[0040]第二步，CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化：
[00411取所需质量的成分配比为Cu-11.9%Al-2.5%Mn的铜基形状记忆合金置于中频感 应电炉内熔化，然后移至井式坩埚炉内，并于1090°C保温8分钟后投入该铜基形状记忆合金 总质量0.1 %的第一步所制得的粉碎处理后的孕育剂Cu51Zr14,搅拌10秒钟并撇渣后浇入钢 制模具中，由此完成CuAIMn形状记忆合金晶粒的细化，上述百分数为质量百分数；
[0042]第三步，晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金的热处理：
[0043] 将第二步制得的晶粒细化后的CuAIMn形状记忆合金升温至860°C并保温15分钟后 投入室温的水中淬火，然后以8°C/分钟的速率重新升温至330°C并保温20分钟后投入室温 的水中，完成热处理，由此制得具有良好综合性能的CuAIMn形状记忆合金。
[0044] 实施例2
[0045] 第一步，制备孕育剂Cu51Zn4:
[0046] 按Cu5i Zr 14所示成分的原子数比为Cu: Zr = 51:14，分别称取所需质量的原