专利名称：冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法。用该方法制备的薄膜具有生产工艺简单，成分容易控制，力学性能高的优点。
背景技术：
CuAlNi形状记忆合金不仅具有价格低廉，而且比CuZnAl合金具有更好的时效稳定性和热稳定性，与NiTi和CuZnAl基形状记忆合金相比，CuNiAl合金还能在200℃的条件下使用。NiTi和CuZnAl基形状记忆合金Ms点一般不高于100℃，因而只能在低于100℃的条件下使用。而在实际应用中的许多场合，如火灾或过热情形的预警及自动防护系统、卫星发射塔、火箭发动机、电流过载保护器等装置中都需要在150℃以上温度使用的形状记忆合金，特别是在核反应堆工程中，要求记忆合金热敏驱动器的动作温度高达600℃。所以，具有高相变点的高温形状记忆合金的研制和开发颇具工程应用前景。CuAlNi形状记忆合金本该具有广泛应用的优势，但由于电子化合物γ2相的析出，使得合金的延展性变差，冷加工困难。另一方面，CuAlNi基合金的晶粒粗大，再加上弹性各向异性因子达到15，容易产生应力集中，因而使用过程中容易断裂，疲劳寿命低，这些缺点严重妨碍了CuAlNi基合金的工业应用。
为了提高CuAlNi合金的力学性能，人们通过加入B、Ti、V等合金元素来细化晶粒，使CuAlNi基合金的晶粒从毫米级细化到了几十微米，显著提高了合金的力学性能和使用寿命。通过加入Ni或Mn能抑制γ2相的析出，允许更高含量的Al，同时改善合金的加工性能。但由于CuAlNiMn合金的弹性各向异性因子高，细化后合金的冷加工仍然困难，通过冷轧的方法难以获得薄膜。而薄膜驱动元件将是形状记忆合金应用的一个主要领域。
这是因为形状记忆合金的驱动受热激励，因此块体形状记忆合金的响应频率低，仅1HZ，比压电材料、磁致伸缩材料等其他驱动材料要低几个数量级。为了提高形状记忆合金的响应频率，必须采用比表面积大，散热能力强的薄膜。为了制备CuAlNi基合金薄膜，人们采用了快速凝固的方法。这种方法虽然能获得厚度小于100μm的Cu-Al-Ni合金薄膜的，但薄膜受到宽度的限制，不适合工业生产。最近发展的冷轧超薄叠层合金化制备合金薄膜的方法，使得我们能采用常规的轧制设备，低成本大面积制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。
冷轧超薄叠层合金化的方法采用塑性好，变形容易的纯金属或合金箔为原材料，按设计的成分配比确定箔的厚度，将金属箔交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧，如此反复，最后进行扩散退火合金化，获得成分均匀的合金薄膜。其生产工艺流程见附图所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用常规的轧制设备，通过冷轧超薄叠层合金化的方法，低成本制备大面积CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。
CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的组成元素含量分别满足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量为铜。
冷轧超薄叠层合金化制备大面积CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法根据设计的成分，以铝薄，铜镍锰合金箔为原材料，交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧，如此反复。最后在773K～923K的温度范围内保温进行扩散退火，获得成分均匀的合金薄膜。为了使扩薄膜具有形状记忆效应，合金化后的薄膜还需进行973K以上的固溶加淬火的β化处理。
与现有技术相比，本发明具有如下优点1)首次采用冷轧合金化法制备了CuAlNiMn形状记忆合金薄膜，解决了CuAlNi合金晶粒粗大、易脆断，难以加工的问题。其制备的薄膜具有较好的形状记忆效应和塑性，可以满足作为驱动材料的要求。
2)能制备大面积的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。采用熔体快淬和溅射法只能制备小面积的薄膜，而采用冷轧超薄叠层合金化的方法，能制取宽度大于50mm、长几米到几十米的薄膜，适合大规模工业生产。
3)制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜疲劳寿命高。采用冷轧超薄叠层合金化制备的CuAlNiMn合金薄膜晶粒细小，仅几个μm，比目前合金的晶粒低1～2个数量级，因此具有很高的疲劳寿命。
4)所制备的薄膜具有低成本高性能的特点。由于组元具有良好的冷变形能力，因此利用现有的冷轧设备就可生产，不需要昂故的特殊设备，所以成本较低。具有很强的市场竞争力。
本发明冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的加工路线示意图。
具体实施例方式
实施例1根据设计的成分配方(重量百分比)Al 14.5％，Ni 5％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.178mm的Cu-5.85Ni(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以64％的变形量冷轧到1.000mm，然后再冷轧到0.060mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.060mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于873K下保温40小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到973K，保温0.5小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为141K，在液氮温度下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
实施例2根据设计的成分配方(重量百分比)Al 13％，Ni 4％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.200mm的Cu-4.65Ni(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以67％的变形量冷轧到1.000mm，然后再冷轧到0.080mm。将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.080mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于900K下保温30小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1073K，保温0.3小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为406K，在室温下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
实施例3根据设计的成分配方(重量百分比)Al 12％，Ni 5％，Mn 2％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.220mm的Cu-5.58Ni-2.27Mn(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以50％的变形量冷轧到1.600mm，然后再冷轧到0.100mm。将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.100mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1173K，保温0.25小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为434K，在室温下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
实施例4根据设计的成分配方(重量百分比)Al 11.5％，Ni 5％，Mn 2％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.232mm的Cu-5.65Ni-2.26Mn(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以64％的变形量冷轧到1.200mm，然后再冷轧到0.080mm。将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.080mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1223K，保温0.2小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为496K，在室温下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
实施例5根据设计的成分配方(重量百分比)Al 12％，Mn 2％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.220mm的Cu-2.27Mn(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以69％的变形量冷轧到1.000mm，然后再冷轧到0.060mm。将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.060mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1173K，保温0.25小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为486K，在室温下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
实施例6根据设计的成分配方(重量百分比)Al 11.5％，Mn 3％，余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔，0.232mm的Cu-3.39Mn(重量百分比)合金箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以61％的变形量冷轧到1.200mm，然后再冷轧到0.100mm。将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.100mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1223K，保温0.2小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为513K，在室温下弯曲6％，加热后形状完全恢复。
权利要求
1.一种冷轧超薄叠层合金化制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜，其特征在于组成元素含量分别满足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn0～3％，余量为铜。
2.一种制备权利要求1所述CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法，是以纯金属Al箔，CuNiMn合金箔为原材料，根据设计的成分确定箔的厚度。将金属箔交互重叠放置，大变形冷轧复合，根据需要，可以将冷轧复合的超薄叠层对折后再大变形冷轧，如此反复，获得所需要的厚度，最后将冷轧复合的超薄叠层薄膜，在773K～923K温度范围进行保温，扩散退火合金化，获得成分均匀的合金薄膜。为了使薄膜具有形状记忆效应，合金化后的薄膜还需进行973K以上的固溶加淬火的β化处理。
3.根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于组成元素含量分别满足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量为铜。
4.根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于冷轧复合时变形量为50％～99％。
5.根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于以纯金属Al箔，CuNiMn合金箔为原材料。
6.根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于扩散退火的温度为873K～923K，保温时间为20～40小时。
7.根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于β化处理的温度为973K～1123K，保温时间为0.2～0.5小时。
全文摘要
本发明公开了一种冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法。采用塑性好，变形容易的Al箔、CuNiMn合金箔为原材料，根据设计的成分确定箔的厚度，将金属箔交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再冷轧，如此反复，最后进行扩散退火合金化，获得成分均匀的合金薄膜。CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的组成元素含量分别满足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量为铜。用该方法制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜具有成分容易控制，晶粒细小，疲劳寿命高，面积大和成本低的优点。
文档编号B21B1/00GK1644728SQ20051002016
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者文玉华, 李宁, 李 东, 谢文玲 申请人:四川大学