专利名称：功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有功能连续梯度的形状记忆合金的制备方法。
背景技术：
TiNi记忆合金不仅具有优异的形状记忆效应与超弹性，而且表现出优良的阻尼特性。因此，TiNi记忆合金在减震防护等方面获得了广泛应用，TiNi记忆合金的优异性能主要是因为其在加热和冷却(或加载和卸载)过程中会发生热弹性马氏体相变。TiNi记忆合金在相变过程表现出较高的阻尼损耗因子。然而，TiNi记忆合金的相变温度区间比较窄(少于20°C )，限制了合金的实际工程应用，因此如何拓宽合金的相变温度区间，从而获得高阻尼特性成为研究者的追求热点之一。TiNi记忆合金的马氏体相变温度对显微组织非常敏感，因此，制备显微组织连续变化的梯度记忆合金有望拓宽合金的相变温度区间。
等通道转角挤压(又称等径角挤压)、高压扭转等大塑性变形的方法开始用于制备晶粒尺寸在亚微米或者纳米级的TiNi记忆合金。利用上述方法制备的超细晶TiNi合金，其晶粒尺寸可以细化至数十个nm。通过等通道角转挤压方法制备的材料具有较大的尺寸和均匀的显微组织，直径可以达到60mm左右，长度可以达到200mm以上。与普通粗晶记忆合金相比较，大塑性变形处理的材料具有较高的恢复力、更加优异的形状恢复特性、更加稳定的循环特性，然而，目前采用大塑性变形方法制备的TiNi记忆合金均为匀质材料。经文献检索，中国专利号为ZL200610010354.X和美国文献号为US29911306A的发明专利，公开了一种Ni-Ti系功能连续梯度形状记忆合金的制备方法，然而该方法仅适用于厚度小于IOmm的冷加工态板材，导致，制备得到的TiNi功能连续梯度形状记忆合金在实际工程应用中受到限制。
发明内容
本发明的目的是为解决目前使用的TiNi记忆合金均为匀质材料、TiNi记忆合金相变温度区间窄，以及现有的制备TiNi功能连续梯度形状记忆合金的方法仅适用于处理厚度小于IOmm的冷加工态TiNi合金板材，不适用于处理大规格尺寸的TiNi合金材料和工程应用受到限制的问题，进而提供一种功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法。本发明为解决上述问题采取的技术方案是本发明的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法按照以下步骤实现步骤一、TiNi合金超细晶处理，利用等通道转角挤压法将TiNi合金处理制得晶粒尺寸O. 2μηι Ιμπι的直径为8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道转角挤压法参数为两通道的内交角为90° 120°，挤压温度为350°C 450°C，挤压道次为4 8道次；步骤二、切割TiNi合金棒，再进行表面处理去除表面氧化层；步骤三、切割成形的TiNi合金在温度梯度场中进行差温梯度热处理差温梯度热处理TiNi合金高温面为597°C 603°C，低温面温度控制为255°C 298°C，差温梯度热处理时间为IOmin 120min ；
步骤四、退火，经步骤三处理得到的TiNi合金采用水淬冷却至室温，即得到功能连续梯度TiNi形状记忆合金。本发明的有益效果是本发明利用等通道转角挤压(制备得到的合金组织是由大角度晶界的亚微米或纳米超细晶粒组成)，并结合差温梯度热处理工艺经退火制备得到的功能连续梯度TiNi形状记忆合金具有均匀、连续变化的显微组织，产生与目前匀质TiNi记忆合金不同的相变与力学功能特性，材料强度和综合机械性能得到有效改善和提高，具备连续化的超弹性和形状记忆性能，更为重要的是可以获得较宽的相变温度区间(大于250C )和较高的阻尼特性(Tan δ > O. 06)，具有广阔的应用前景，工程应用范围广，尤其是在减震防护方面，此外，与现有技术相比较，本发明对合金原材料尺寸和成分无限定，本发明可用于处理直径大于IOmm的TiNi合金圆棒或厚度大于IOmm的TiNi合金板材。本发明工序简单，安全可靠，易于推广，可作为其它工序的原料进行加工利用，加工性能良好。
图I是差温梯度热处理原理示意图，图2是热炉差温梯度热处理示意图，图3是加热套差温梯度热处理示意图，图4是两种原料TiNi合金和分别经本发明制备得到的两种TiNi合金的相变温度区间图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法按照以下步骤实现步骤一、TiNi合金超细晶处理，利用等通道转角挤压法将TiNi合金处理制得晶粒尺寸O. 2μηι Ιμπι的直径为8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道转角挤压法参数为两通道的内交角为90° 120°，挤压温度为350°C 450°C，挤压道次为4 8道次；步骤二、切割TiNi合金棒，再进行表面处理去除表面氧化层；步骤三、切割成形的TiNi合金在温度梯度场中进行差温梯度热处理差温梯度热处理TiNi合金高温面为597°C 603°C，低温面温度控制为255°C 298°C，差温梯度热处理时间为IOmin 120min ；步骤四、退火，经步骤三处理得到的TiNi合金采用水淬冷却至室温，即得到功能连续梯度TiNi形状记忆合金。本实施方式的差温梯度热处理原理如图I所示，本实施方式的TiNi合金2高温面I的温度为597°C 603°C，低温面3温度为255°C 298°C，高温面I与低温面3之间温差为300°C 350°C，呈连续梯度变化，本实施方式利用热量传递产生的连续变化的温度梯度在TiNi合金棒或合金板材上得到功能连续梯度，制备得到的功能连续梯度TiNi形状记忆合金致密，内部没有传统方法中由于不同材料结合而产生的内应力，梯度沿长度方向或厚度方向连续均匀变化，梯度可控性良好，操作简单，宏观成分均匀。本实施方式制备功能连续梯度TiNi形状记忆合金可轴向切割或径向切割，形成呈不同功能梯度方向的功能连续梯度TiNi形状记忆合金，也可以将不同功能梯度方向的功能连续梯度TiNi形状记忆合金结合使用。不受原材料规格形状尺寸或原材料成分及尺寸的限制。
本实施方式步骤一中可以采用的TiNi合金为含有原子百分比为48% 53%的Ni。本实施方式的步骤一中等通道转角挤压变形处理中，等效应变量不小于4。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同点是，本实施方式的步骤一中两通道的内交角为120°。如此设置，挤压效果好，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同点是，本实施方式的步骤一中挤压温度为400°C 450°C。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同点是，本实施方式的步骤一中挤压道次为6 8道次。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式的步骤二中将TiNi合金棒切割成方形、椭圆形、菱形或梯形。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式的步骤二中TiNi合金棒表面采用酸洗、机械抛光或电化学抛光以去除合金棒表面的氧化层。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，本实施方式的步骤三中采用热炉差温梯度热处理切割成形的TiNi合金。本实施方式通过控制TiNi合金2的高温面(图中左侧面)的温度为597°C 603°C，低温面(图中右侧面)的温度为255°C 298°C，高温面与低温面之间温差为300°C 350°C，其中TiNi合金2可以伸入热炉4的炉膛内，或停留在热炉4外，为防止空气对流对温度造成的影响，可将TiNi合金封装在石英管或陶瓷管5中，本实施方式可以通过控制炉膛内温度及TiNi合金2的摆放位置，控制所制备的TiNi合金的温度梯度。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，步骤三中采用加热套差温梯度热处理切割成形的TiNi合金。本实施方式中TiNi合金2上表面和下表面置于具有加热套6内，TiNi合金2的高温面(图中上表面和下表面)的温度为597°C 603°C，低温面(图中两端)的温度为255°C 298°C，高温面与低温面之间温差为300°C 350°C，为可将加热套6放置在TiNi合金2的中部区域，得到两端晶粒细小中间晶粒粗大的功能连续梯度形状记忆合金。也可将TiNi合金2放在任意位置，得到局部晶粒粗大的功能连续梯度形状记忆合金。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一不同点是，本实施方式的步骤三中差温梯度热处理时间为Ilmin 58min或62min 120min。如此设置,满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一不同点是，本实施方式的步骤三中差温梯度热处理时间为15min、65min、70min或90min。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式
一相同。实施例为进一步说明本发明，结合图I和图4说明本实施例，利用本发明的制备方法分别对Ti5a2Ni4a8合金和Ti4a2Ni5a8合金进行制备，经差温梯度处理以及退火处理后，晶粒尺寸通过透射电镜观察确定，随着退火温度的增加两种合金的晶粒的尺寸逐渐增大，并持续变化，Ti5a2Ni4a8合金晶粒尺寸由O. 7 μ m增加至IJ 3. 5ym, Ti49.2Ni5(l.8合金晶粒尺寸由O. 3 μ m增加到2. 5μπι ;制备得到的上述两种功能连续梯度合金的相变温度区间如图4所示，相变温度区间由差示扫描量热分析的方法确定，定义为马氏体相变起始温度与马氏体相变终了温度的差值，由图4可知(其中a为制备得到的Ti49.2Ni5a8合金，b为制备前的Ti49.2Ni50.8合金(固溶态)，c为制备得到的Ti5tl. 2Ni49.8合金，d为制备前的Ti5tl. 2Ni49.8均质合金(固溶态))，制备前的均质合金和利用本发明方法制备得到合金的相变区间温度相比， 制备后得到Ti49.2Ni5a8合金和Ti5a2Ni4a8合金的相变区间温度分别要比制备前相应合金的相变区间温度宽。由此得出，经过本发明制备的功能连续梯度TiNi记忆合金的相变温度区间远远大于均质合金的相变温度区间，阻尼特性明显提高，扩大了 TiNi合金的工程应用范围和领域。
权利要求
1.功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法,其特征在于所述功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法按照以下步骤实现 步骤一、TiNi合金超细晶处理，利用等通道转角挤压法将TiNi合金处理制得晶粒尺寸O.2μηι Ιμπι的直径为8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道转角挤压法参数为两通道的内交角为90° 120°，挤压温度为350°C 450°C，挤压道次为4 8道次； 步骤二、切割TiNi合金棒，再进行表面处理去除表面氧化层； 步骤三、切割成形的TiNi合金在温度梯度场中进行差温梯度热处理差温梯度热处理TiNi合金高温面为597°C 603°C，低温面温度控制为255°C 298°C，差温梯度热处理时间为 IOmin 120min ； 步骤四、退火，经步骤三处理得到的TiNi合金采用水淬冷却至室温，即得到功能连续梯度TiNi形状记忆合金。
2.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤一中两通道的内交角为120°。
3.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤一中挤压温度为400°C 450°C。
4.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤一中挤压道次为6 8道次。
5.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤二中将TiNi合金圆棒切割成方形、椭圆形、菱形或梯形。
6.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤二中TiNi合金棒表面采用酸洗、机械抛光或电化学抛光以去除合金棒表面的氧化层。
7.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤三中采用热炉差温梯度热处理切割成形的TiNi合金。
8.根据权利要求I所述的功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，其特征在于步骤三中采用加热套差温梯度热处理切割成形的TiNi合金。
全文摘要
功能连续梯度TiNi形状记忆合金的制备方法，它涉及一种具有功能连续梯度的形状记忆合金的制备方法，以解决目前使用的TiNi记忆合金均为匀质材料、TiNi记忆合金相变温度区间窄，以及现有的制备TiNi功能连续梯度形状记忆合金的方法仅适用于处理厚度小于10mm的冷加工态TiNi合金板材，不适用于处理大规格尺寸的TiNi合金材料和工程应用受到限制的问题，所述制备方法是按照以下步骤实现步骤一、TiNi合金超细晶处理；步骤二、切割TiNi合金棒，再进行表面处理去除表面氧化层；步骤三、切割成形的TiNi合金在温度梯度场中进行差温梯度热处理；步骤四、退火，即得到功能连续梯度TiNi形状记忆合金。本发明用于制备功能连续梯度TiNi形状记忆合金。
文档编号C22C1/00GK102828066SQ20121032966
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者佟运祥, 张殿涛, 李莉, 郑玉峰, 郭宝 申请人:哈尔滨工程大学