一种固态下NiTi单晶循环热处理制备方法与流程

本发明涉及niti单晶制备技术领域，具体的涉及一种固态下niti单晶循环热处理制备方法。

背景技术：

镍钛(niti)形状记忆合金(shapememoryalloy，简称sma)以其独特的记忆特性，优良的超弹性、耐腐蚀性、生物相容性等，在工程、控制、医疗、能源、机械等领域应用广泛。众所周知，许多单晶材料性质与多晶材料不同，对于niti合金材料也是如此，虽niti合金已被广泛应用于各领域，但对其相变及形状记忆特性的研究还不够透彻。通过研究其单晶性质对建立新的niti单晶理论模型，从微观的角度来揭示材料的相变行为、为多晶体的本构模型研究提供理论支持，以及niti合金的进一步应用有重要意义。

目前国内外常用的单晶生长制备方法大致可以分为气相生长、溶液生长、水热生长、熔盐法、熔体法。最常见的技术有提拉法、区熔法、定向凝固法等。提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的方法。但以上方法均存在着以下缺陷：(1)需要材料在熔融状态下进行，与设备直接接触，容易引进杂质；(2)设备结构复杂，成本高；(3)处理周期长，效率低。

循环热处理方法目前主要用于各种合金，例如niti合金、tial合金等的组织细化，其高温区间一般在1200℃以上；同时也应用于制备合金单晶，例如cu-al-mn合金定向凝固并循环热处理后，可制备出cu-al-mn合金单晶，但定向凝固需要专门真空定向凝固炉，设备结构复杂成本高，且材料需要熔融状态下进行，易引入杂质。其他合金循环热处理制备单晶时，高温保温时间短(少于一小时)、温度低(低于900℃)，且niti合金对温度非常敏感，十几度温度变化即对晶粒大小影响剧烈，所以通常循环热处理方式并不适用于niti合金单晶制备。在关于niti合金单晶的材料科学实验研究中，可能只需要一小块单晶，在满足实验需求的情况下，可将某些局部大晶粒区域视作单晶，或以这些大晶粒为基础去掉周边小晶粒区域制得小块单晶。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种高效低成本的niti单晶制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种固态下niti单晶循环热处理制备方法，包括以下步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉升温至980～1000℃，保温80～120min；

a2、后缓慢降温至590～620℃，保温8～12min；

a3、按照一定升温速率升温，对所述niti合金进行940～980℃高温热处理80～120min，高温热处理后缓慢降温至590～620℃，保温8～12min；

a4、根据需要，重复上述步骤a3至少一次，直至形成单晶尺寸达到要求；或者不重复；

a5、按照一定升温速率升温，对所述niti合金进行940～980℃高温热处理400～600min；

a6、高温热处理后立即在室温利用去离子水淬火。

所述的方法，所述步骤a1中，初始材料温度为室温，升温速率为15～30℃/min，降温速率为3～6℃/min。

所述的方法，所述步骤a3中，升温速率为8～12℃/min，降温速率为3～6℃/min。

所述的方法，所述步骤a5中，升温速率为8～12℃/min。

所述的方法，所述步骤1中，所述niti合金材料尺寸：棒材直径10～14mm，长度20～40mm；板材厚度5～7mm，边长20～40mm。

所述的方法，包括以下步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至1000℃，保温100min；

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行960℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min，高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、重复上述步骤a3一次；

a5、最后对所述niti合金进行960℃高温热处理500min，升温速率为10℃/min；

a6、后立即室温去离子水淬火。

所述的方法，包括以下步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至960℃，保温100min；

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行960℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min；高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、对所述niti合金进行960℃高温热处理500min；

a5、后立即室温去离子水淬火。

所述的方法，包括以下步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉升温至980～1000℃，保温80～120min；

a2、后缓慢降温至590～620℃，保温8～12min；

a3、对所述niti合金进行955～965℃高温热处理80～120min，高温热处理后缓慢降温至590～620℃，保温8～12min；

a4、根据需要，重复上述步骤2，直至形成单晶尺寸达到要求；

a5、对所述niti合金进行955～965℃高温热处理400～600min；

a6、高温热处理后立即在室温利用去离子水淬火。

在niti合金马氏体相变过程中通过高低温循环，诱导niti合金晶粒内产生细小亚晶粒结构(b)；原有正常晶粒的晶界在初始阶段与内外亚晶粒接触，当晶粒在温度影响下开始正常生长时，会将生长方向前的亚晶粒吞并，并在晶界移动方向之后形成一个亚细粒带(c)，如图5所示。由于晶界前的亚晶粒晶界能对晶界产生引力，而晶界之后的亚细粒带对晶界几乎没有作用力，所以晶粒开始异常生长；当几个较大晶粒(微米级)接触时，晶界前后原有亚晶结构便会丧失，需通过第二次高低温循环热处理恢复亚晶粒结构，使晶粒进一步增长，从而得到所需的大尺寸niti合金单晶。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、循环热处理制备方法制备出的niti单晶，晶粒取向均匀、缺陷少，所述niti晶粒最大可达6mm。

2、采用循环热处理方法制备niti单晶不需要熔化金属，不会造成杂质污染，使用的材料较少，且对材料形状、大小无严格要求，原材料成本低。

3、循环热处理制备方法对处理设备及条件要求低，简单可靠，所需设备成本低。

附图说明

图1为固态下niti单晶循环热处理制备具体实施实例1温度曲线图；

图2为固态下niti单晶循环热处理制备具体实施实例2温度曲线图；

图3为固态下niti单晶循环热处理制备具体实施实例3温度曲线图；

图4为固态下niti单晶循环热处理制备具体实施实例4温度曲线图；

图5为所述niti合金单晶生长机理图；a表示niti合金原始晶粒，b表示缓慢降温过程中原始晶粒中亚晶粒产生，c表示高温保温过程中原晶粒晶界受亚晶粒晶界能牵引向外扩展，并在晶界后方留下空区。

图6为通过金相显微镜拍摄的所述niti合金原始材料，平均晶粒尺寸在50μm以下。

图7为本发明固态下niti单晶循环热处理制备方法中niti合金经具体实施实例1循环热处理后光学放大镜照片。

图8为本发明固态下niti单晶循环热处理制备方法中niti合金经具体实施实例2循环热处理后光学放大镜照片。

图9为本发明固态下niti单晶循环热处理制备方法中niti合金经具体实施实例3循环热处理后光学放大镜照片。

图10为本发明固态下niti单晶循环热处理制备方法中niti合金经具体实施实例4循环热处理后光学放大镜照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

niti合金成分及质量百分含量为：ni55.81％，co0.05％，cu0.01％，cr0.01％，fe0.05％，nb0.025％，余量为ti。平均晶粒尺寸28μm。

制备步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至1000℃，保温100min。

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行960℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min，高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、重复上述步骤a3一次；

a5、最后对所述niti合金进行960℃高温热处理500min，升温速率为10℃/min；

a6、后立即室温去离子水淬火。

制样观察，如图7所示(图中比例尺为毫米)，组织中出现单个大晶粒，其尺寸长约5mm，宽约6mm。

实施例2

niti合金成分及质量百分含量为：ni55.81％，co0.05％，cu0.01％，cr0.01％，fe0.05％，nb0.025％，余量为ti。平均晶粒尺寸28μm。

制备步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至1000℃，保温100min。

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行980℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min，高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、重复上述步骤a3一次；

a5、最后对所述niti合金进行980℃高温热处理500min，升温速率为10℃/min；

a6、后立即室温去离子水淬火。

制样观察，如图8所示，组织中出现单个大晶粒，其尺寸长约587.4um。

实施例3

niti合金成分及质量百分含量为：ni55.81％，co0.05％，cu0.01％，cr0.01％，fe0.05％，nb0.025％，余量为ti。平均晶粒尺寸28μm。

制备步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至1000℃，保温100min。

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行950℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min，高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、重复上述步骤a3一次；

a5、最后对所述niti合金进行950℃高温热处理500min，升温速率为10℃/min；

a6、后立即室温去离子水淬火。

制样观察，如图9所示，组织中出现单个大晶粒，其尺寸长约476.2um。

实施例4

niti合金成分及质量百分含量为：ni55.81％，co0.05％，cu0.01％，cr0.01％，fe0.05％，nb0.025％，余量为ti。平均晶粒尺寸28μm。

制备步骤：

a1、将niti合金原材料切割成合适尺寸，放入马弗炉，抽真空并通入氩气，随马弗炉以20℃/min的速率升温至960℃，保温100min。

a2、后以5℃/min降温至600℃，保温10min；

a3、随后对所述niti合金进行960℃高温热处理100min，升温速率为10℃/min；高温热处理后以5℃/min速率降温至600℃，保温10min；

a4、对所述niti合金进行960℃高温热处理500min；

a5、后立即室温去离子水淬火。

制样观察，如图10所示(图中比例尺为毫米)，组织中出现单个大晶粒，其尺寸长约4mm，宽约3.8mm。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。