一种高性能钛镍系形状记忆合金及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种高性能钛镍系形状记忆合金，该合金由钛、镍、铜、铌、锌元素构成；按原子百分比包括如下组分：钛原子百分比含量为45?50%、镍的原子百分比含量为30?34%、铜的原子百分比含量为10?14%、铌的原子百分比含量为1?8%、余量为锌。本发明制备的薄膜合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，在进行形变过程中，纳米相在转换时无残留，形状记忆回复率高、性能优异。
【专利说明】
一种高性能钛镍系形状记忆合金及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及形状记忆合金材料领域，具体涉及一种高性能钛镍系形状记忆合金及其制 备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 形状记忆合金因其具有较高的可恢复性形变，已在生产生活中得到广泛应用。中 国发明专利CN102864339A提出了一种弹性合金材料，所述合金材料的各组成按原子百分含 量为镍45-55at%，铁0-10at%，钛 10-15at%，钴 10-15at%，15-20at%。本技术方案的合金 材料不仅具有窄滞后超弹性能又能够保持形状记忆效应的合金材料。其制备方法包括以下 步骤：1 )、选取纯度彡99.9%的镍，纯度彡99.99 %钴，纯度彡99.9 %的铁，纯度彡99.9 %的 钛，纯度多99.99%的镓;将上述材料按照原子百分含量配料，然后放入熔炼炉中并抽真空 至2.OX l(T4Pa，再充入氩气，反复熔炼后用模具冷却吸铸得到合金毛坯;2)、将1)中得到的 合金毛坯密封，抽真空至5.OX KT5Pa,在1000°C下保温72小时，然后冷却至室温得到超弹性 合金材料。
[0003] 中国发明专利CN102851548A提出了一种超弹性合金，其所述合金材料的各组成按 原子百分含量为镍45-55&丨％，铁0-1(^丨％，钛25-353丨％，钴10-153丨％。2.权利要求1所述 超弹性合金，其所述合金材料的各组成按原子百分含量为镍50at%，铁5at%，钛35at%，钴 10at% 〇
[0004] 中国发明专利CN101876016A提出了一种稀土镍锰钴镓基高温形状记忆合金，提供 一种具有高马氏体相变温度、较好塑性和形状记忆性能的稀土镍锰钴镓基高温形状记忆合 金及其制备方法。化学式为(Ni53Mn22Co6Gal9)100-xAx，其中六=〇7、￥、6(14的原子百分比 为0~1。将镍、锰、钴、镓和稀土原料放入炉内，抽真空，充入氩气，熔炼，得稀土镍锰钴镓基 高温形状记忆合金锭材;将稀土镍锰钴镓基高温形状记忆合金锭材热处理，随炉冷却;将经 过热处理的稀土镍锰钴镓基高温形状记忆合金锭材热乳成片状合金材料;将得到的片状合 金材料切成试样，热处理后，冰水淬火，即得到稀土镍锰钴镓基高温形状记忆合金。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了提高形状记忆合金的循环寿命，本发明所要解决的技术问题是提 供了一种高性能钛镍系形状记忆合金。
[0006] 本发明还要解决的技术问题是提供了一种高性能钛镍系形状记忆合金的制备方 法。
[0007] 本发明还要解决的技术问题是提供了一种高性能钛镍系形状记忆合金的应用。
[0008] 常规的合金材料变形几千次就会断裂，而本发明采用磁控溅射的方法，制备含有 独特成分与显微结构的合金薄膜材料，能够将该合金的循环次数提高到几千万次以上。该 合金薄膜的厚度为2-50微米，其显微结构中包含Ti 2Cu与Ti2Ni相，它们为纳米晶，尺寸小于 500纳米。
[0009]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种高性能钛镍系形状记忆合金，该 合金由钛、镍、铜、银、锌元素构成。
[0010]作为优选，按原子百分比包括如下组分:钛原子百分比含量为45-50%、镍的原子百 分比含量为30-34%、铜的原子百分比含量为10-14%、银的原子百分比含量为1-8%、余量为 锌。
[0011]作为优选，上述高性能钛镍系形状记忆合金的厚度为2-50微米。
[0012]作为优选，上述高性能钛镍系形状记忆合金的显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni相。 [0013]作为优选，上述高性能钛镍系形状记忆合金中的Ti2Cu与Ti2Ni相的尺寸小于500纳 米。
[0014]上述的高性能钛镍系形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤： 1) 按照上述的合金材料制备靶材； 2) 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至10- 3Pa，调整工作电压为500V，派射占空比60-70%，开始进行溅射沉积，控制厚度为 2-50微米得到薄膜状的形状记忆合金； 3) 对步骤2)得到的薄膜状的形状记忆合金进行退火热处理得到高性能钛镍系形状记 忆合金。
[0015] 作为优选，上述退火热处理温度为650-720摄氏度。
[0016] 上述的高性能钛镍系形状记忆合金在工业控制、医疗器械等方面的应用。
[0017]有益效果:本发明具有以下优点：采用本发明的方法可以制备一种高性能钛镍系 形状记忆合金，循环次数高达几千万次以上，远高于当前合金的几千次。这是因为目前大多 数形状记忆合金在两种晶格状态下转变时，两相之间的转换不完全，在金属高温相（奥氏 体）中会出现越来越多的低温相(马氏体)晶体结构，几千次就会出现裂纹，最终会导致合金 断裂。在本发明中，会形成的纳米相Ti2Cu相与Ti2Ni相，其尺寸在500纳米以下。当Ti2Cu相在 B2与B19两种结构中转换时，它们之间的转换是完全的，不存在残留，因此能够大大提尚循 环寿命。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合【具体实施方式】对本发明作更进一步的举例说明。
[0019] 实施例1:高性能钛镍系形状记忆合金的制备 1、 按照钛:镍:铜:铌:锌的原子比为50:34:14: : 1:1的比例制备靶材； 2、 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至I (T3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比60%，开始进行溅射沉积，控制厚度为12 微米； 3、 对以上合金进行退火热处理，温度为650摄氏度得到高性能钛镍系形状记忆合金。
[0020] 对高性能钛镍系形状记忆合金进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未 断裂。
[0021] 该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸80~200纳米。
[0022] 实施例2:高性能钛镍系形状记忆合金的制备 1. 按照钛:镍:铜:铌:锌的原子比为48:30:10:8:4比例制备靶材； 2. 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至HT3Pa,调整工作电压为500V，溅射占空比60%，开始进行溅射沉积，控制厚度为32 微米； 3. 对以上合金进行退火热处理，温度为680摄氏度得到高性能钛镍系形状记忆合金。
[0023]对高性能钛镍系形状记忆合金进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未 断裂。
[0024] 该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸100~250纳米。
[0025] 实施例3:高性能钛镍系形状记忆合金的制备 1. 按照钛:镍:铜:银:锌的原子比为45:32:13:6:4的的比例制备靶材； 2. 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至HT3Pa,调整工作电压为500V，溅射占空比70%，开始进行溅射沉积，控制厚度为47 微米； 3. 对以上合金进行退火热处理，温度为720摄氏度得到高性能钛镍系形状记忆合金。
[0026] 对高性能钛镍系形状记忆合金进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未 断裂。
[0027] 该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸80~160纳米。
[0028] 实施例4高性能钛镍系形状记忆合金的制备 1. 按照钛:镍:铜:铌:锌的原子比为46:31:12:8:3的比例制备靶材； 2. 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至KT3Pa,调整工作电压为500V，溅射占空比65%，开始进行溅射沉积，控制厚度为2微 米； 3. 对以上合金进行退火热处理，温度为685摄氏度得到高性能钛镍系形状记忆合金。
[0029] 对高性能钛镍系形状记忆合金进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未 断裂。
[0030] 该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸150~300纳米。
[0031 ]实施例5高性能钛镍系形状记忆合金的制备 1. 按照钛:镍:铜:铌:锌的原子比为47:33:11:5:4的比例制备靶材； 2. 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至HT3Pa,调整工作电压为500V，溅射占空比67%，开始进行溅射沉积，控制厚度为50 微米； 3. 对以上合金进行退火热处理，温度为690摄氏度得到高性能钛镍系形状记忆合金。
[0032]对高性能钛镍系形状记忆合金进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未 断裂。
[0033] 该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸50~200纳米。
[0034] 对比例1 实验例： 1 ·按照lat%锰、0 · 4at%钕、5 lat%钛、44at%镍、3 · 6at%铁的比例配置原料； 2.将原料混合均匀，放入非自耗真空电弧炉内，抽真空到5*10-4Pa，充入高纯氩气，然 后恪炼5次； 3. 在真空热处理炉中进行热处理:在500度进行时效2小时，然后在450度时效5小时； 4. 冷却，由此得到形状记忆合金。
[0035]检测结果:进行循环寿命测试，样品进行8636次测试断裂。
[0036]本发明实施例1~5制备得到的含铌形状记忆合金合金和对比例1的普通合金进行 1000次形变后的记忆回复率：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高性能钛镍系形状记忆合金，其特征在于，该合金由钛、镍、铜、银、锌元素构成。2. 根据权利要求1所述的一种高性能钛镍系形状记忆合金，其特征在于，按原子百分比 包括如下组分:钛原子百分比含量为45-50%、镍的原子百分比含量为30-34%、铜的原子百分 比含量为1〇 _14%、银的原子百分比含量为1_8%、余量为锌。3. 根据权利要求1所述的一种高性能钛镍系形状记忆合金，其特征在于，所述的高性能 钛镍系形状记忆合金的厚度为2-50微米。4. 根据权利要求1所述的一种高性能钛镍系形状记忆合金，其特征在于，所述的高性能 钛镍系形状记忆合金的显微结构中包含Ti2Cu与Ti 2Ni相。5. 根据权利要求4所述的一种高性能钛镍系形状记忆合金，其特征在于，所述的高性能 钛镍系形状记忆合金中的Ti2Cu与Ti 2Ni相的尺寸小于500纳米。6. 权利要求1~5任一项所述的高性能钛镍系形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包 括以下步骤： 1) 按照上述的合金材料制备靶材； 2) 采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至l(T3Pa以上，充入氩气，然后再 抽真空至10- 3Pa，调整工作电压为500V，派射占空比60-70%，开始进行溅射沉积，控制厚度为 2-50微米得到薄膜状的形状记忆合金； 3) 对步骤2)得到的薄膜状的形状记忆合金进行退火热处理得到高性能钛镍系形状记 忆合金。7. 根据权利要求6所述的高性能钛镍系形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述退 火热处理温度为650-720摄氏度。8. 权利要求1~5任一项所述的高性能钛镍系形状记忆合金在工业控制、医疗器械等方 面的应用。
【文档编号】C22C30/06GK106086586SQ201610536412
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】不公告发明人
【申请人】苏州市皎朝纳米科技有限公司