一种制备纳米晶NiTi合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用形变与相变耦合制备纳米晶NiTi合金的方法，属于纳米晶材料制备领域。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金具有独特的形状记忆功能，超弹性以及驱动功能，广泛应用于生物医学、航空航天、机械制造、自动控制以及仪器仪表等领域，如人造骨骼、医学支架、宇宙天线、管道连接器及电器驱动器等。近等原子比NiTi合金是应用最早和研究最充分的形状记忆合金，虽然其价格较贵且较难加工，但至今其应用仍十分广泛。
[0003]纳米晶金属材料是晶粒尺寸在纳米数量级(〈10nm)的单相或多相金属材料，具有晶粒/结构细小、晶界/界面体积分数高的特征，表现出高强度、高耐磨性、良好的塑性、高扩散能力和化学反应活性等一系列与普通多晶体有本质差别的力学、物理和化学性能。纳米晶NiTi合金的制备可以通过细化NiTi合金的晶粒尺寸从而提高其性能。
[0004]目前制备纳米晶金属纳米材料的方法主要有:快速凝固法，磁控溅射法，电沉积法，非晶晶化法，纳米颗粒粉末冶金法和严重塑性变形法。其中快速凝固法，磁控溅射法和电沉积法只能制备薄膜材料(厚度在毫米量级以下)。非晶晶化法只适用于能形成非晶的合金。纳米颗粒粉末冶金法制备的纳米晶样品存在微孔隙等缺陷，对纳米材料的结构和性能带来不利影响，另外，为防止氧化，整个制备过程必须在惰性气体保护和超高真空室内进行，对制备设备要求较高，制备难度较大。严重塑性变形法指将极高的塑性应变施加在材料上以形成主要含有大角度晶界的超细晶结构的加工工艺，该方法受样品塑性限制，设备要求高，所得到的样品存在塑性差等问题，且制备成本高，难以用于大规模工业生产。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种设备要求低、操作简便、晶粒尺寸可控、样品尺寸范围大的纳米晶Ni T i合金的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种形变与相变耦合的制备纳米NiTi合金的方法。
[0007]首先，采用液氮冷却(Tn=_196°C)的方法使得NiTi样品发生马氏体相变;然后对样品进行不同应变量的室温乳制处理得到冷乳样品。最后，选取合适的温度和保温时间对样品进行加热处理使其发生马氏体逆相变，最终得到纳米晶NiTi样品。
[0008]具体包括如下步骤:
步骤一:采用液氮冷却的方法使NiTi样品发生马氏体相变；
步骤二:对相变后的NiTi样品进行冷乳变形处理；
步骤三:选取100-500°C的加热温度和0.5h-2h的保温时间对冷乳NiTi样品进行处理，使其发生马氏体逆相变，得到纳米晶样品。
[0009]步骤二中应变量的计算方式(tQ-tf)/to，其中to和tf分别为样品的初始厚度和最终厚度。优选的应变量范围为16%-70%。
[0010]步骤三中优选的保温时间为lh-2h。
[0011]步骤三中最终纳米晶样品的大小仅取决于原始样品的大小和冷乳变形量大小。
[0012]本发明使用的方法具有所需设备结构简单、价格低廉、操作简便，易于工业化等有优点，是一种适合工业化大规模生产的纳米晶NiTi合金制备方法并且根据使用要求可以调整本发明中变形量和退火温度这一参数以制备不同晶粒大小、不同显微结构和性能的纳米结构NiTi合金。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1.本发明的方法所需设备简单，价格低廉，操作简便且易于工业化生产。
[0014]2.本发明的方法可以通过调整变形量及加热温度和/或时间来改变纳米晶晶粒大小和显微结构，获得不同性能的块体纳米结构NiTi合金。
[0015]3.本发明中最终纳米晶NiTi样品尺寸范围大，仅取决于原始样品的大小和冷乳变形量大小。
[0016]下面结合附图和实例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0017]图1为本发明得到的乳制变形量16%，退火温度为3000C、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。
[0018]图2为本发明得到的乳制变形量32%，退火温度为300V、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。
[0019]图3为本发明得到的乳制变形量56%，退火温度为300V、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。
【具体实施方式】
[0020]以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明:
实施例1:以Ni5Q.9Ti49.r^金为例。首先，采用线切割的方法从NiTi合金原料中切下合适大小的样品，对样品的正反两面进行打磨和清洗处理。
[0021]然后，将样品夹在304不锈钢片中间，连同钢片一起放入液氮中浸泡约30min，浸泡的时候应当保证样品完全浸入液氮。样品在液氮中浸泡后得到了完全马氏体组织。经过液氮浸泡后，将夹有样品的钢片夹出，迅速放入冷乳机中进行冷乳。
[0022]冷乳时调整两个乳辊之间的间距，将夹有样品的钢片送入两个乳辊中间进行室温乳制。每经过一次乳制就应当将样品从钢片中取出，使用游标卡尺测量样品的厚度并计算变形量，对于未达到变形量要求的样品，应当将其重新夹入钢片中进行再一次的冷乳。每次测量样品的厚度时分别量取样品两端及中部的三处厚度值然后取平均值。样品的变形量计算方法为(to-tf)/tQ，其中to和tf分别为样品的初始厚度和最终厚度。
[0023]取不同变形量的冷乳样品，采用氩气保护进行加热至300°C保温I小时处理，得到最终样品。本实施例中最终样品的厚度大于1mm，宽度大于5mm，长度大于10mm。
[0024]图1为本发明中乳制变形量16%、退火温度为300°C、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。图中白亮区域显示的为样品的晶粒，平均晶粒尺寸为38nm。经测量，样品的硬度为418HVo
[0025]图2为本发明中乳制变形量32%、退火温度为300°C、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。图中白亮区域显示的为样品的晶粒，平均晶粒尺寸为27nm。经测量，样品的硬度为461HVo
[0026]图3为本发明中乳制变形量56%、退火温度为300°C、时间为I小时样品的透射电镜暗场像。图中白亮区域显示的为样品的晶粒，平均晶粒尺寸为20nm。经测量，样品的硬度为572HV。
【主权项】
1.一种制备纳米晶NiTi合金的方法，其特征在于: 首先，采用液氮冷却的方法使得NiTi样品发生马氏体相变;然后对样品进行不同应变量的室温乳制处理得到冷乳样品；最后，选取合适的温度和保温时间对样品进行加热处理使其发生马氏体逆相变，最终得到纳米晶NiTi样品。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 步骤一:采用液氮冷却的方法使NiTi样品发生马氏体相变； 步骤二:对相变后的NiTi样品进行冷乳变形处理； 步骤三:选取100-500°C的加热温度和0.5h-2h的保温时间对冷乳NiTi样品进行处理，使其发生马氏体逆相变，得到纳米晶样品。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:步骤二中应变量范围为16%-70 %。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于:步骤三中的保温时间为lh-2h。
【专利摘要】本发明公开了一种制备纳米晶NiTi合金的方法。本发明利用形变与相变耦合原理，首先通过液氮冷却使样品发生马氏体相变，然后对样品进行不同变形量的室温轧制处理，最后对样品进行一定温度和保温时间的加热处理。本发明所得到纳米晶NiTi合金具有样品尺寸范围大、晶粒尺寸小、位错密度低、以及强度高等特点，通过调整变形量、加热温度和时间等参数可以获得不同晶粒大小和性能的纳米晶NiTi合金。本发明的方法所需设备简单，价格低廉，操作简便且易于工业化生产。
【IPC分类】C22F1/10, C22F1/18
【公开号】CN105603345
【申请号】CN201610058302
【发明人】梅青松, 陈 峰, 李杨, 李菊英, 刘明, 姚功铖
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月28日