一种TiNiCuNb形状记忆合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种形状记忆合金。本发明也涉及一种形状记忆合金的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，Cu含量大于7.5&七％的TiNiCu形状记忆合金凭借其窄相变滞后引起了工业界的广泛重视。一般来说，TiNiCu形状记忆合金的相变滞后随Cu含量增加而减小，最小可达4°C左右，可以极大地提高驱动器的动作频率。然而，当Cu含量超过1at.%后，TiNiCu合金的冷热加工性能和形状记忆性能均变差。上述原因导致该合金系很难获得大规模的实际工程应用。因此，在保持TiNiCu合金窄相变滞后特性的前提下，改善合金的冷热加工性能与形状记忆效应已经成为研宄热点。现有的手段主要是利用熔体快淬工艺制备TiNiCu薄带或利用磁控溅射工艺制备薄膜，这样可以跳过冷热加工的步骤。然而受制备工艺限制，薄带或薄膜的厚度均不超过60微米，这极大地制约了 TiNiCu合金的实际工程应用。因此，迫切需要寻找其他手段制备具有良好冷热加工能力与形状记忆效应的高Cu含量的TiNiCu
I=I O
[0003]“ Ti5tlNi16Cu25Nb9阻尼合金的研制”(钛工业进展，2009，25 (5) 26-29)中介绍:“Ti5(lNi16Cu25Nb9是在TiNiCu阻尼合金的基础上发展的一种新型阻尼合金。X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)分析表明，Nb的加入使Ti5tlNi16Cu25Nb9合金在凝固过程中发生共晶反应，生成单斜结构的BI V马氏体和fee结构β -Nb相。晶粒内部为富Ni贫Cu马氏体与β -Nb相的共晶组织，晶间为富Cu贫Ni相，合金中存在明显的微观偏析。高温固溶热处理可以改善合金的微观偏析，但是随着热处理温度的增加，β -Nb软化相有球化趋势，相含量减少，不利于优化合金的阻尼性能。900°C X2h+WQ热处理可以明显改善合金的微观偏析，并保留适量的条状β -Nb相。”该论文中涉及的主要技术手段是以Nb元素取代Ti5tlNi25Cu25中的Ni元素进行成分设计。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种具有良好的冷热加工性能的TiNiCuNb形状记忆合金。本发明的目的还在于提供一种工艺简单的TiNiCuNb形状记忆合金的制备方法。
[0005]本发明的TiNiCuNb形状记忆合金的化学式为(TixNiyCuz) 1(l(l_aNba，其中x+y+z =100，X = 48 ?52，z = 10 ?25，a = 3 ?6。
[0006]本发明的TiNiCuNb形状记忆合金的制备方法为:
[0007]步骤一、按物质的量的比为Ti:Ni:Cu:Nb = (x-ax/100): (y-ay/100): (z-az/100):a 的比例称取 T1、N1、Cu 和 Nb，其中 x+y+z = 100，x = 48 ?52，z = 10 ?25，a = 3 ?6 ；
[0008]步骤二、将步骤一中称取的T1、N1、Cu和Nb元素放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2X10_2?2 XlO _3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为300?500Pa，利用高温电弧将T1、N1、Cu和Nb原料熔炼成钮扣状铸锭，然后翻转，反复熔炼6?8次；
[0009]步骤三、将步骤二中得到的钮扣状铸锭放入真空炉中，抽真空使真空度达到4Xl(T2Pa，在 900 ?1100°C下保温 12 ?24h ；
[0010]步骤四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在750?900°C下，进行热轧，得到厚度为I?3mm的板材，将板材放入真空炉中，抽真空使真空度达到4Xl(T2Pa，800?1000°C下保温I?2h，得到TiNiCuNb形状记忆合金。
[0011]为了解决现有高Cu含量TiNiCu合金冷热加工能力差、形状恢复率低以及现有手段只能加工薄膜或薄带的问题，本发明提出了一种TiNiCuNb形状记忆合金及其制备方法。
[0012]本发明利用Nb塑性好并且在TiNi基体中溶解度有限的特点，以TiNiCu合金与Nb作为两个相考虑进行成分设计。
[0013]通常来讲，当Cu含量超过1at.%后，TiNiCu形状记忆合金的冷热加工能力很差，这极大地制约了 TiNiCu合金的工程应用。金属Nb是一种塑性非常好的元素，已有的研宄表明，相对于TiNi合金，Nb在高温下是一种软相。更重要的是，Nb在TiNiCu基体中的溶解度有限，并且不会与其他元素形成脆性相。因此，Nb加入TiNiCu基体中后，可以极大改善合金的冷热加工能力。本发明通过控制Nb含量，可以调控合金的相变滞后，同时，Nb作为一种固溶强化元素，可以有效改善合金的形状记忆效应。本发明制备方法简单、所制备合金的冷热加工能力优异、相变滞后小、形状恢复率高，是一种具有应用前景的新型形状记忆合金。
【附图说明】
[0014]图1是实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb5合金的背散射电子像；
[0015]图2 是实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb^ DSC 曲线；
[0016]图3是实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb^金在不同变形量下的形状恢复率。
【具体实施方式】
[0017]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0018]本发明的TiNiCuNb形状记忆合金的化学式为(TixNiyCuz) 1QQ_aNba，其中x+y+z =100，X = 48 ?52，z = 10 ?25，a = 3 ?6。
[0019]优选为(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb5B状记忆合金。
[0020](Ti5ciNi4ciCultl)95Nb5形状记忆合金具有良好的冷热加工性能，其马氏体相变开始温度在10°C左右；室温下其屈服强度为llOMPa，断裂强度为400MPa，延伸率为10%;完全能够满足实际工程应用的需要。
[0021]本发明的(TixNiyCUz)1QQ_aNba形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行:
[0022]一、按物质的量的比为(x-ax/100): (y-ay/100): (z-az/100):a 的比例称取 T1、N1、Cu 和 Nb，其中 x+y+z = 100，x = 48?52，z = 10?25，a = 3?6;
[0023]二、将步骤一中称取的T1、N1、Cu和Nb放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2X10_2?2 XlO _3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为500Pa，利用高温电弧将T1、N1、Cu和Nb原料熔炼成钮扣状铸锭，然后翻转，反复熔炼6?8次；
[0024]三、将步骤二中得到的钮扣状铸锭放入真空炉中，抽真空使真空度达到4X 10_2Pa，在900?1100°C下保温12?24h ；
[0025]四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在750?900°C下，进行热轧，得到厚度为I?3mm的板材，将板材放入真空炉中，抽真空使真空度达到4Xl(T2Pa，800?1000°C下保温I ?2h，得到(TixNiyCuz)状记忆合金。
[0026]步骤一中T1、N1、Cu和Nb的纯度均不低于99.9 %。
[0027]下面以具体实施例对本发明做更详细的描述。:
[0028]实施例一:
[0029]一种(Ti5ciNi4ciCultl)95Nb5形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行:
[0030]一、按物质的量的比为47.5:38:9.5:5的比例称取纯度均为99.9%的T1、N1、Cu和Nb ；
[0031 ] 二、将步骤一中称取的T1、N1、Cu和Nb放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2 X 10_3Pa，然后充入纯度为99.9 %的高纯氩气至炉内压强为500Pa，利用高温电弧将T1、N1、Cu和Nb原料熔炼成厚度为16mm的钮扣状铸锭；
[0032]三、将步骤二中得到的钮扣状铸锭放入真空炉中，抽真空使真空度达到4X 10_2P，在900°C下保温15h进行均匀化处理；
[0033]四、将经步骤三均匀化处理后的钮扣状铸锭在900°C下，进行热轧，得到厚度为
1.3mm的板材，将板材放入真空炉中，抽真空使真空度达到4X 10—2Pa，在900°C下保温2h进行固溶处理，得到(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb5B状记忆合金。
[0034]采用电火花切割方法，从实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb5形状记忆合金中切取长度为20mm、宽度为20mm、厚度为1.3mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，经抛光后作为背散射电子像观察样品，图1为样品的背散射电子像，其中白色衬度像为富Nb相，黑色衬度像为基体相。
[0035]采用电火花切割方法，从实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb^状记忆合金中切取长度为3mm、宽度为1.5mm、厚度为1.3mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，在Perkin-Elmer Diamond DSC上测试其相变行为，图2为样品的DSC曲线，其马氏体相变开始温度(Ms)为10°C。定义逆相变结束温度(Af)与Ms的差值为相变滞后，可见相变滞后约为13°C，略高于Ti5tlNi4ciCultl合金的相变滞后(11°C )。
[0036]采用电火花切割方法，从实施例一制备的(Ti5tlNi4ciCultl)95Nb5形状记忆合金中切取有效长度为20_、宽度为1.5_、厚度为1.3_的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，利用弯曲法测试其力学行为，并与Ti5tlNi4ciCultl合金相比较。图3为制备的(Ti 50Ni40Cu10)95Nb5^金和Ti5tlNi4ciCultl合金在不同变形量的形状恢复率。可见，(Ti 5QNi4(lCu1Q)95Nb5合金的形状恢見率要优于Ti5tlNi4ciCultl合金。
[0037]实施例二:
[0038]将实施例一的步骤一中的物质的量的比改为47.5:28.5:19:5，其他步骤同实施例一。
[0039]实施例三:
[0040]将实施例一的步骤一中的物质的量的比改为47:37.6:9.4:6，其他步骤同实施例
O
【主权项】
1.一种TiNiCuNb形状记忆合金，其特征是化学式为(Ti xNiyCuz) 1(l(l_aNba，其中x+y+z =100，X = 48 ?52，z = 10 ?25，a = 3 ?6。2.根据权利要求1所述的TiNiCuNb形状记忆合金，其特征是化学式为(Ti50Ni40Cu10)95Nb5O3.—种TiNiCuNb形状记忆合金的制备方法，其特征是: 步骤一、按物质的量的比为 Ti:Ni:Cu:Nb = (x-ax/100): (y-ay/100): (z-az/100):a的比例称取 T1、N1、Cu 和 Nb，其中 x+y+z = 100，x = 48 ?52，z = 10 ?25，a = 3 ?6 ; 步骤二、将步骤一中称取的T1、N1、Cu和Nb元素放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2X10_2?2 X 10 _3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为300?500Pa，利用高温电弧将T1、N1、Cu和Nb原料熔炼成钮扣状铸锭，然后翻转，反复熔炼6?8次； 步骤三、将步骤二中得到的钮扣状铸锭放入真空炉中，抽真空使真空度达到4X10_2Pa，在900?1100°C下保温12?24h ； 步骤四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在750?900°C下，进行热轧，得到厚度为I?3mm的板材，将板材放入真空炉中，抽真空使真空度达到4Xl(T2Pa，800?1000°C下保温I?2h，得到TiNiCuNb形状记忆合金。
【专利摘要】本发明提供的是一种TiNiCuNb形状记忆合金及其制备方法。本发明的形状记忆合金的化学式为(TixNiyCuz)100-aNba。本发明的制备方法包括：一、称取Ti、Ni、Cu和Nb；二、在非自耗真空电弧炉内，将原料熔炼成铸锭；三、将铸锭放入真空炉中进行均匀化处理；四、将铸锭热轧成板材，在真空炉中进行固溶处理，得产物。本发明工艺简单,所得产物的加工性能好、形状恢复率高、并且相变滞后比较小，是一种有应用前景的形状记忆合金。本发明解决了现有TiNiCu合金加工性能差、形状恢复率低的问题。
【IPC分类】C22F1/00, C22C30/02
【公开号】CN104946956
【申请号】CN201510312642
【发明人】佟运祥, 王广超, 胡阔鹏, 郑玉峰, 李莉
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月9日