一种NiTiNb形状记忆合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于形状记忆合金领域，具体涉及一种NiTiNb形状记忆合金及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 形状记忆合金以其奇特的形状记忆效应成为人们广泛关注的新型金属功能材料 之一。目前的三大类形状记忆合金中（NiTi基、Cu基、Fe基)，NiTi基合金的记忆性能最为 优异，同时具有良好的力学性能和生物相容性，因此其研究和应用最为广泛和成功。
[0003] 在众多的NiTi基形状记忆合金中，Ni47Ti44Nb 9 (at%)合金以其独特的相变宽滞后 而引起了工程界的广泛重视。用这种合金制成的管接头进行扩径后，其回复温度As'(马氏体 向母相转变开始温度）可以从约-74°C提高至约54°C，相变滞后明显增宽，实现了扩径后在 室温下的运输、储存和加工，大大增加了应用便利性。但是，随着更多特殊应用需求的出现， Ni 47Ti44Nb9合金也暴露出了一个新的问题：其Ms (母相向马氏体转变开始温度)约为-90°C， 低于这个温度会发生低温应力松弛，不利于更低温环境内的使用。为了解决此问题，迫切需 要研究如何进一步增宽NiTiNb合金的相变滞后（A s'-Ms)，使其凡温度更低，且A s'维持在室 温以上。
[0004] 目前的研究表明：保持Ni成分不变时，随着Nb含量的升高，合金的1温度逐渐降 低；保持Ti成分不变时，随着Nb含量的升高，合金的M s温度变化幅度不大，呈现先略微下 降后略微上升的趋势；保持Nb成分不变时，随着Ni含量的升高，合金的凡温度逐渐降低。
[0005] 可以看出，Ni和Nb是降低凡温度元素，而Ti则是升高^温度元素。通过调整Ni、 Ti、Nb三种元素的含量，即改变Ni/Ti/Nb原子比，就可以在一定范围内改变NiTiNb合金的 M s温度以及相变滞后。但大量的"试错"研究表明，目前只有与Ni 471144他9合金基体相化学 成分接近的成分区域，如Ni 5(]Ti45.5Nb4.5，被认为是M s温度、A s'温度、室温三者之间的最佳匹 配：MS约在-90°C，配合以一定的变形模式(如M S+30°C进行16%变形)，即可使合金的As'从 约_74°C提高至约54°C (略高于室温)，获得144°C的宽滞后（As'-Ms)。
[0006] 因此，在最佳Ni5QTi45.5Nb 4.5基体相成分的基础上，如果再通过调整Ni、Ti、Nb三种 元素的含量，已经不能再进一步降低合金凡温度、增宽相变滞后、且与室温保持优化匹配， 必须通过其他方法来实现。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的一个技术问题是提供一种NiTiNb形状记忆合金，本发明要解决 的另一个技术问题是提供一种NiTiNb形状记忆合金制备方法。
[0008] 本发明的NiTiNb形状记忆合金，其特点是，该合金中各元素的原子百分比含量 为： Ni 50. 5%~55% ； Ti 39%~45. 5% ； Nb 3%~6. 5% ； 以上组分含量之和满足100%。
[0009] 本发明的NiTiNb形状记忆合金制备方法，其特点是，包括如下步骤： a. 采用真空自耗熔炼、真空感应熔炼或真空等离子熔炼中的一种真空熔炼方法，获得 以Ni、Ti和Nb作为主要化学成分的合金； b. 将步骤a获得的产物通过锻造、热乳、冷乳或冷拉工艺加工成型材； c. 将步骤b获得的产物在热处理炉中进行固溶处理； d. 将步骤c获得的产物在热处理炉中进行时效处理，得到所需。
[0010] 步骤C中的固溶处理的温度为900°C ~1050°C，保温时间为1~4小时，冷却方式为 水冷。
[0011] 步骤d中的时效处理的温度为250°C ~700°C，保温时间为2~6小时，冷却方式为水 冷或空冷。
[0012] 本发明针对附471144他9合金使用过程中在更低温度易发生低温应力松弛的问题， 提供一种相变滞后更宽，Mja度更低，且A s'维持在室温以上的NiTiNb形状记忆合金及其 制备方法。
[0013] Ni47Ti44Nb9合金的宽滞后特性主要来源于含Nb的NiTi基体相，Nb主要置换替代 Ti原子，即含Nb的NiTi相可以表示为Ni (Ti，Nb)。Ni (Ti，Nb)基体相的化学成分是决定其 Ms温度和相变宽滞后的最根本因素，该基体相含Ni约50% (at%)，含Ti约45. 5% (at%)，含 Nb约4. 5% (at%)，即只要合金的基体化学成分保持在这个含量，就能获得与Ni47Ti44Nbg^ 金相当的宽滞后性能。
[0014] 另外，富镍NiTi二元合金通过固溶时效的方法，能够析出与NiTi基体相共格的 Ti 3Ni4ffi，此相对合金的记忆性能影响不大，但对基体的马氏体正逆相变都有阻碍作用，可 在一定程度上增宽二元NiTi合金的相变滞后。
[0015] 因此，如果在Ni5QTi45.5Nb 4.5单相合金中，引入弥散分布的共格Ti 3Ni4第二相，则有 望进一步增宽NiTiNb合金的相变滞后。一方面，确定成分含量的单相基体能够保证其原有 的、与Ni47Ti44Nb 9合金相当的宽相变滞后；另一方面，利用第二相对马氏体正逆相变额外的 钉扎阻滞作用，进一步降低Ms温度，提升A s'温度。这样就可以开发出一种抗低温松弛性能 更优异，且变形后可在室温运输、储存和加工的新型合金，解决前面所叙述的问题。
[0016] 本发明的NiTiNb形状记忆合金具有超宽的相变滞后和优异的形状记忆性能，可 以实现低温变形后在室温下的运输和储存，同时进一步降低了马氏体转变开始温度，具有 更加优异的抗低温松弛性能。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下优点： 1)合金及其制备成本低。NiTiNb合金中Nb元素价格最高，本发明合金中加入Nb的原 子百分比含量比Ni47Ti44Nb9合金中含量低，因而合金及其制备成本便宜。
[0018] 2)相变滞后更宽，M，度更低，且A s'温度高于室温，既能够在室温储存和运输，又 具有更加优异的抗低温松弛性能。
【具体实施方式】
[0019] 以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在 不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术 方案也属于本发明的范畴。
[0020] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0021] 实施例1 以市售电解镍 Ni9996 (GB/T 6516-2010 电解镍)、工业纯钛 TA1 (GB/T 3620. 1-2007 钛及钛合金牌号和化学成分)和铌条TNb-2 (GB/T 6896-2007铌条)为原料，在真空感应熔 炼炉中制备，熔炼温度高于1500°C，真空度优于5X10 2Pa，精炼时间20min，浇注在金属铸 锭中，获得实施例1 (Ni51.