专利名称：：一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金，是通过添加复合稀土钪(Sc)、钕(Nd)元素有效地提高了TiNiFeMo形状记忆合金的屈服强度、抗拉强度、应力松弛稳定性和耐腐蚀性能。技术背景目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，在-16(TC+100。C的环境下，使用低温TiNiFeMo形状记忆合金越来越多。这种合金的强度相对较低，应力松弛稳定性和耐腐蚀性较差，致使在机械振动、低温、高压等恶劣环境下，所制成的构件和设备事故发生隐患大，使得其应用范围受到限制。随着科学技术的发展，对低温记忆合金的要求越来越高,原有的低温TiNiFeMo形状记忆合金已经不能适应应用的需要，必须开发一种高强度、应力松弛稳定性好和耐腐蚀性强的新型形状记忆合金材料以适应相关工业领域未来发展的需要。本发明在TiNiFeMo合金基础上，通过添加高纯度钪(Sc)、钕(Nd)稀土元素来提高合金的屈服强度、抗拉强度、应力松弛稳定性和耐腐蚀性，开发出新型的高强度低温形状记忆合金来替代原有的低温TiNiFeMo形状记忆合金，可以拓宽其恶劣环境的使用范围，提高安全系数，延长服役寿命。
发明内容本发明的目的是提出一种高比强度、应力松弛稳定性好和耐腐蚀强的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，该TiNiFeMoScNd形状记忆合金作为功能材料在强振动低温高压的环境下使用，可以替代原有的TiNiFeMo形状记忆合金，可以拓宽其恶劣环境的使用范围，提高安全系数，延长服役寿命。本发明是一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其由4355at。/。的钛(Ti)、4248at。/。的镍(Ni)、0.14at。/。的铁(Fe)、0.12at。/。的钼(Mo)、0.013at。/。的钪(Sc)和0.013at。/。的钕(Nd)组成，并且上述各组分的含量之和为100%。本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金的优点(1)在TiNiFeMo形)f^a忆合金基础上，通过添加高纯度钪(Sc)、钕(Nd)稀土元素来提高形TO忆合金的屈服强度、抗拉强度、应力松弛稳定性以及耐腐蚀性能。本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金的马氏体开始(Ms)相变温度范围在—200~+20°C，形状记忆效应(SME)为4~8%;本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金在2CTC时的屈服强度()为300600MPa，在2CTC时的抗拉强度(o"6)为650900MPa，在20。C时的延伸率(3)为10.040.0%;本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金在300°C、初始应变e。=2%时应力松弛稳定系数(S。)为0.88~0.95，松弛速率系数(/。)为1000015000;本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金在2CTC海水中的腐蚀速率为2.403X10-43.208xlO-4gW2』-1,属于完全耐蚀类别。(2)该TiNiFeMoScNd形状记忆合金材料与具有相同Fe、Mo原子百分比的TiNiFeMo记忆形状记忆合金相比，在-200°(:~+IOCTC之间具有更高的强度，更好的应力松弛稳定性能和耐腐蚀性能。图1是Ti5。Ni46FeL5Mo。.5SqNdi形状记忆合金试样的电阻一温度曲线图。图2是Ti5。N"6FeL5Mo。.5Sc^Ndi形状记忆合金试样在不同温度下的拉伸试验所得到的应力一应变曲线图。图3是Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SCiNdi形状记忆合金试样在不同预应变下的应力—应变曲线图及其形状记忆可恢复效应。图4是Ti5。Ni46FeL5Mo。.5Sc^Ndi形状记忆合金试样在300°C，初始应变￡。=2%时的应力松弛曲线及其变换的半对数坐标图。具体实施方式下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金，由4355at。/。的钛(Ti)、4248at。/。的镍(Ni)、0.14at。/。的铁(Fe)、0.12at。/。的钼(Mo)、0.013at%的钪(Sc)和0.013at。/。的钕(Nd)组成，并且上述各组分的含量之和为100%。本发明TiNiFeMoScNd形状记忆合金材料的制备方法和步骤如下第一步按4355at。/。称取纯度为99.9%的钛(Ti)、4248at。/。称取纯度为99.9%的镍(Ni)、0.1~4at。/。称取纯度为99.9。/。的铁(Fe)、0.1~2at。/。称取纯度为99.9%的钼(Mo)、0.013at。/。称取纯度为99.9。/。的钪(Sc)和0.013at。/。称取纯度为99.9%的钕(Nd);第二步将上述称取的Ti、Ni、Fe、Mo、Sc、Nd原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至25X10-3P",充入高纯氩气至1.01Xl05户a，然后在2700°C~3000°C反复熔炼3~5次制得TiNiFeMoScNd锭材；第三步将上述制得的TiNiFeMoScNd锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度25X10-3/^，热处理温度850。C950。C下保温12~24/后，随炉冷却，即得到Ti435sNi4248Fe。.卜4Mo。.卜2Sc。.。卜3Nd。.。卜3形状记忆合金。对上述制得的锭材采用型号为Cl1—150的的锻造机轧制成板材后，釆用线切割方法获得各种试样。TiNiFeMoScNd形状记忆合金马氏体开始相变温度(Ms)采用电阻法测量，试样尺寸为15wmXlwmXlww，测试温度范围为一150°C+50°C,升降温速率为1°C/min。TiNiFeMoScNd形状记忆合金的力学性能采用MTS—880型万能材料实验机进行拉伸应力一应变、形状记忆效应和应力松弛稳定性的测试。拉伸应变速率为0.8~1.0附m/min，温度范围为一196。C+100。C之间选定的温度点；合金的形状记忆效应是通过测量试样在拉伸前后的标距长度，运用公式5-^^><100%(e表示卸丄o载后的残余应变，A表示试样卸载恢复到室温后的标距长度，A)表示加载前的原始标距)计算形状记忆效应；试样在温度300。C,初始应变s。为0.02下通过试验机与微机相连进行实时控制来测定应力松弛稳定性,将得到的曲线变换到半对数坐标图后运用公式S。=^和~=1分别来表征应力松弛稳定系数与松弛速率系数。cr。tana采用线切割方法切取尺寸为L附mXWwmXH附m的薄片作为室温耐腐蚀性能测试样品，测量样品的质量Mi;在室温下采用浸泡法将薄片浸于质量分数为3.56%NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干测量试样的质量M2，运用失重法公式表示腐蚀速率尸=2(s为试样表面积，r为浸泡时间)。上述涉及到的测量仪器釆用精确度为1(^g的电子天平测量样品的质量，使用精确度为10—2附附的游标卡尺测量样品的尺寸。经测试Ti4355Ni424sFe。.卜4MOo.卜2Sc謹3Nd。.。卜3形状记忆合金的马氏体开始(Ms)相变温度范围在一200~+20°C。经测试Ti4355Ni4248Fe。.卜4MO。.wSC。.。卜3Nd。.。卜3形状记忆合金在不同温度条件下的各性能参数如表1、表2和表3所示表1TiNiFeMoScNd形状记忆合金的不同温度下的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2TiNiFeMoScNd和TiNiFeMo形状记忆合金耐腐蚀性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3TiNiFeMoScNd形状记忆合金的应力松弛稳定性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本发明的Ti4355Ni42—8Fe。.卜4Mo。.卜2Sc。.。卜3Nd。.。卜3形状记忆合金比二元TiNi合金材料的相变点低，其屈服强度、抗拉强度、应力松弛稳定性能和耐腐蚀性能强，形状记忆效应好，有效地提高了安全系数，降低了故障隐患，扩展了TiNi基合金材料的使用范围。该(^43~55]^42~4^6。.1~4]^0。.1~280。.。1~^￡1。.。1~3形状记忆合金与具有相同Fe、Mo原子百分比的TiMFeMo记忆合金相比，在一200十10CTC之间具有更髙的强度和更好的应力松弛稳定性以及耐腐蚀性能。实施例1:制备T^N^FeLsMoosSCiNdi形状记忆合金(1)称取50at。/。纯度为99.9%的钛、46at。/。纯度为99.9%的镍、1.5at%纯度为99.9%的铁、0.5at。/。纯度为99.9%的钼、1at。/。纯度为99.9%的钪和1at%纯度为99.9%的钕；(2)将上述钛、镍、铁、钼、钪和钕原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2XlO-3pfl，充入高纯氩气至1.01Xl05户a，然后在2800°C反复熔炼5次制得TiNiFeMoScNd记忆合金锭材；(3)将上述制得的TiNiFeMoScNd形状记忆合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2X10-3Pa,热处理温度850。C下保温12小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的T^N^FeLsMo^SCiNdi形状记忆合金。对上述制得的锭材采用型号为Cl1—150的锻造机轧制成板材后，采用线切割方法获得试样。然后将试样切取尺寸为15m附X1mmX1mm的板材后釆用电阻法获得图l所示的温度一电阻曲线，测得其马氏体开始相变温度(Ms)点为—64°C;采用MTS—880型万能材料实验机进行拉伸应力一应变、形状记忆效应和应力松弛稳定性的测试。在拉伸应变速率为0.8mw/min时分别在一196。C、一55。C、20。C和10(TC下测得Ti5。Ni46FeL5Mo。.5SCiNc^合金试样的应力一应变曲线如图2所示；在不同预应变下获得的形状记忆效应如图3所示，其屈服强度、抗拉强度、形状记忆效应和延伸率具体值见表4。图4是Ti5。Ni46FeL5Moo.5Sc!Ndi合金试样在300°C，初始应变s。=2%时获得的应力松弛曲线及其变换的半对数坐标图。其初始载荷为19200N，根据公式计算得S0=0.89，、=11628.59。釆用线切割方法切取尺寸为20m附X20mmX2m附的薄片作为室温(20°C)耐腐蚀性能测试样品，测量Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SCiNc^合金试样腐蚀前的质量M^4.8694g;在室温(20°C)下釆用浸泡法将薄片浸于质量分数为3.56%NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干测量Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SqNc^合金试样的质量M2=4.8693g，腐蚀后质量损失为0.0001g;通过公式计算得腐蚀速率为2.604X10"g.m免/T1，属于完全耐蚀类型。该Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SqNdi记忆合金材料与Tis。Ni48FeL5Mo。.5记忆合金材料相比，本发明Ti5。Ni46FeL5Mo。.5Sc^Nd,记忆合金具有更高的强度和更好的应力松弛稳定性以及耐腐蚀性能。实施例2:制备Ti^.sNi^FeLsMo^qNdLs形状记忆合金(1)称取49.5at。/。纯度为99.9%的钛、45at。/。纯度为99.9%的镍、1.5at%纯度为99.9%的铁、1at。/。纯度为99.9%的钼、1at。/。纯度为99.9%的钪和1.5at%纯度为99.9%的钕；(2)将上述钛、镍、铁、钼、钪和钕原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2xl0-3i^，充入高纯氩气至1.50Xl05/^，然后在3000°C反复熔炼3次制成Ti49.sNi455FeL5Mo,SCiNdL5高温合金锭材；(3)将上述制得的Ti^Ni^sFeLsMOiSCiNdLs高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2X1C^P",热处理温度900。C下保温24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti".5N"55FeL5Mo,SCiNdL5形状记忆合金。对上述制得的锭材釆用型号为Cl1—150的的锻造机轧制成板材后，采用线切割方法获得试样。将试样切取尺寸为15^7X1mmX1mm的板材后釆用电阻法测得其相变点为—S4。C。将试样采用MTS-880型万能材料实验机进行拉伸应力一应变、形状记忆效应和应力松弛稳定性的测试。在拉伸应变速率为1.0wm/min时分别在一196。C、一55。C、2CTC和100。C下测得Ti49.5Ni45.5FeL5Mc^S(^NdL5形状记忆合金的屈服强度、抗拉强度、形状记忆效应和延伸率的结果见表4。根据Ti49.5Ni45.5FeL5Mo!Sc!NdL5试样合金在300°C，初始应变s。=2%和初始载荷为20000N时获得的应力松弛曲线及其变换到半对数坐标图，利用公式计算可得51,0.92,,0=13257.21。采用线切割方法切取尺寸为25mmX25m附X2mm的薄片作为室温耐腐蚀性能测试样品，测量样品的质量M「6.2178g;在室温下采用浸泡法将薄片浸于质量分数为3.56。/。NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干测量试样的质量M2=6.2176g，腐蚀后质量损失为0.0002g;通过公式计算得腐蚀速率为3.161XlCT4g,-2'/T1，属于完全耐蚀类型。该Ti49.5Ni45.5FeL5MOiSCiNdL5形状记忆合金材料与Ti5。Ni47.5FeL5M(^记忆合金材料相比，本发明Ti49.5Ni455FeL5M0^(^NdL5记忆合金具有更高的强度和更好的应力松弛稳定性以及耐腐蚀性能。表4实施例l和实施例2的性能参数:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表5不同成分的形状记忆合金在2CTC下的性能参数如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注战不同合金成分的测试条件与实施例1相同。权利要求1.一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于由43～55at％的钛(Ti)、42～48at％的镍(Ni)、0.1～4at％的铁(Fe)、0.1～2at％的钼(Mo)、0.01～3at％的钪(Sc)和0.01～3at％的钕(Nd)组成，并且上述各组分的含量之和为100％。2.根据权利要求1所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于马氏体开始相变温度(她)为—200+20°C，形状记忆效应(SME)为4~8%。3.根据权利要求l所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于在2(TC时的抗拉强度()为650900M/>a，在20。C时的屈服强度()为300600M户a,在20。C时的延伸率W为10.040.0%。4.根据权利要求l所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于在300。C、初始应变f。-2^时应力松弛稳定系数(S。)为0.88~0.95,松弛速率系数(O为10000~15000。5.根据权利要求l所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于在2(TC海水中的腐蚀速率为2.403X10"~3.208XIO4g.w—2./T1。6.根据权利要求1所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于组份可以为Ti5。Ni46FeLsMo。.5SCiNc^形状记忆合金和Ti49.5Ni45Fe2Mo^qNdL5形状记忆合金。7.根据权利要求1所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其特征在于可作为加工管接头材料。8.—种制备如权利要求1所述的TiNiFeMoScNd形状记忆合金的方法，其特征在于包括有下列步骤第一步按43~55at。/。称取纯度为99.9%的钛(Ti)、4248at。/。称取纯度为99.9%的镍(Ni)、0.14at。/。称取纯度为99.9%的铁(Fe)、0.12at。/。称取纯度为99.9%的钼(Mo)、0.013at。/。称取纯度为99.9。/。的钪(Sc)和0.01~3at。/。称取纯度为99.9%的钕(Nd);第二步将上述称取的Ti、Ni、Fe、Mo、Sc、Nd原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2~5xlO-3Pa,充入高纯氩气至1.0lXl05Pa,然后在2700°C~3000°C反复熔炼3~5次制成TiNiFeMoScNd锭材；第三步将上述制得的TiNiFeMoScNd锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度25XlO-3p"，热处理温度850。C950。C下保温1224A后，随炉冷却，即得到Ti4355Ni42—48Fe。.—4MO。.卜2SCo.o卜3Nd。.。卜3形状记忆合金材料。全文摘要本发明公开了一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金，其由43～55at％的钛(Ti)、42～48at％的镍(Ni)、0.1～4at％的铁(Fe)、0.1～2at％的钼(Mo)、0.01～3at％的钪(Sc)和0.01～3at％的钕(Nd)组成，并且上述各组分的含量之和为100％。该TiNiFeMoScNd形状记忆合金作为功能材料在强振动低温高压的环境下使用，可以替代原有的TiNiFeMo形状记忆合金，可以拓宽其恶劣环境的使用范围，提高安全系数，延长服役寿命。文档编号C22C14/00GK101157999SQ200710177079公开日2008年4月9日申请日期2007年11月9日优先权日2007年11月9日发明者刘福顺,徐惠彬,岩李,王建淦,赵新青申请人:北京航空航天大学