CN101135018A - 一种镍锰钴镓高温形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种镍锰钴镓高温形状记忆合金及其制备方法，涉及一种合金。提供一种具有高马氏体相变温度，较好塑性的镍锰钴镓高温形状记忆合金及其制备方法。其组成及按原子百分比的含量为镍50％～57％、锰17％～25％、钴1％～8％、镓17％～25％。将镍、锰、钴和镓放入炉内，抽真空充入氩气熔炼，得镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材；将合金锭材热处理，温度850～900℃，随炉冷却；将经过热处理的合金锭材在850～950℃热轧，将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热轧成片状合金材料；将得到的片状合金材料用线切割方法切成试样，热处理后，冰水淬火，即得到镍锰钴镓高温形状记忆合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金，尤其是涉及一种镍锰钴镓(NiMnCoGa)高温形状记忆合金材料及其制备方法。
背景技术
目前已经开发的比较成熟的NiTi、CuZnAl及Fe基形状记忆合金的马氏体相变温度均不高(<120℃)，但是在诸如核动力、航空航天、汽车、化工等工程领域，均需要形状记忆合金能够在较高温度下(>200℃)动作，因此，近年来对马氏体相变温度超过200℃的高温形状记忆合金的研究越来越受到人们的关注(1、王永前，赵连城，高温形状记忆合金研究进展，功能材料，1995，26(4)，377；2、彭红缨，魏中国，杨大智，高温形状记忆合金的研究进展，材料科学与工程，1994，12(1)，5；3、K.Otsuka and X.Ren，Rencent development inthe reseach of shape memory alloys，Intermetallics7，511-528(1999)；4、J.Van Humbeeck，High temperature shape memory al loys，J.Eng.Mater.Tech，1999，121，98)
目前，正在研究的马氏体相变温度超过200℃的高温形状记忆合金主要有(Ni-X)Ti系(X＝Pt，Pb，Au)、Ni(Ti-X)系合金(X＝Hf，Zr)、NiAl系合金和CuAl系合金等(1、王永前，赵连城，高温形状记忆合金研究进展，功能材料，1995，26(4)，377；2、彭红缨，魏中国，杨大智，高温形状记忆合金的研究进展，材料科学与工程，1994，12(1)，5；3、K.0tsuka andX.Ren，Rencent development in the reseach of shape memory alloys，Intermetallics7，511-528(1999)；4、J.Van Humbeeck，High temperature shape memory alloys，J.Eng.Mater.Tech，1999，121，98)，但是这些合金体系均存在这样或那样的问题，比如，NiAl系和CuAl系高温形状记忆合金不够稳定，高温下其记忆效应会随平衡相的析出而急剧恶化；NiTiZr和NiTiHf较脆，难以实际使用；NiTiPd虽具有最好的综合性能，但Pd元素昂贵的价格严重限制了它的实际使用。
NiMnGa系合金是一种新型的高温形状记忆合金，它的特点是马氏体相变温度范围比较大而且容易调整，具有很好的相变稳定性和形状记忆性能稳定性，且成本较低，故具有很好的发展前景。目前，NiMnGa单晶的形状记忆可回复应变是迄今为止高温形状记忆合金中最好的，而且具有良好的可逆马氏体相变稳定性和形状记忆效应稳定性(H.B.Xu，Y.Q.Ma，C.B.Jiang，A high-temperature shape memory alloy Ni54Mn25Ga21Appl.Phys.Lett.82(2003)320)。但从实用的角度考虑，单晶的制备、尺寸以及成本方面的因素使其应用前景具有很大局限性，所以要想走向实用，必须是制备工艺简单的多晶材料。但NiMnGa金属间化合物所固有的多晶高脆性严重阻碍了它的实用化(C.B.Jiang，T.Liang，H.B.Xu，M.Zhang，G.H.Wu，Appl.Phys.Lett.81(2002)2818.6)。
正是因为NiMnGa合金的多晶高脆性，所以到现在为止该合金根本不可能进行冷热加工，这种多晶脆性已成为该合金发展的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高马氏体相变温度，较好塑性的镍锰钴镓高温形状记忆合金及其制备方法。
本发明所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的组成及其按原子百分比的含量为镍50％～57％、锰17％～25％、钴1％～8％、镓17％～25％。
本发明所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法包括以下步骤：
1)将镍、锰、钴和镓原料放入炉内，抽真空，充入氩气，在1700～2000℃熔炼，得镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材；
2)将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热处理，热处理温度为850～900℃，随炉冷却；
3)将经过热处理的镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材在850～950℃热轧，将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热轧成片状合金材料；
4)将得到的片状合金材料用线切割方法切成试样，热处理后，冰水淬火，即得到镍锰钴镓高温形状记忆合金。
镍、锰、钴和镓原料的纯度最好不小于99.5％。最好将镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空，真空度至少6×10-3Pa，充入氩气至0.5～0.7×105Pa，在1700～2000℃熔炼至少4次。
将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热处理的真空度最好为2×10-3～5×10-3Pa，热处理的时间至少24h。
片状合金材料的厚度最好为0.5～1mm。
试样最好为哑铃状拉伸试样或/和小片试样，试样的热处理的温度最好为850～900℃，热处理的时间至少20～30min。
本发明的NiMnCoGa高温形状记忆合金的优点：在NiMnGa合金的基础上，采用复相组织韧化的方法，通过添加一定量Co元素在镍锰镓脆性多晶的基体上形成韧性第二相，可使该高温形状记忆合金兼具一定的塑性和记忆效应，经过这种方法韧化后的合金可顺利地热轧成片状材料，并采用拉伸实验对该合金的拉伸性能和记忆效应进行测试，实验结果表明该片材仍然保持很高的马氏体相变温度和较好的形状记忆效应。这类合金的室温拉伸强度为320～730MPa，断裂延伸率1％～15％，可逆马氏体相变温度(Ms)为320～420℃，形状记忆可回复应变为1％～3％。
本发明所述的NiMnCoGa高温形状记忆合金材料可作为智能传感材料或驱动材料在高温下(>200℃)动作，在诸如核动力、航空航天、汽车、化工等工程领域有潜在的应用前景。
附图说明
图1为Ni56Mn21Co4Ga19合金片材在900℃保温20min，冰水淬火后的DSC曲线。在图1中，横坐标为温度Temperature(℃)，纵坐标为热流量Heating flow(mw/mg)，Ms为马氏体相变开始温度，(a)为加热曲线，(b)为冷却曲线。
图2为Ni56Mn21Co4Ga19合金片材在室温拉伸时的应力应变曲线。在图2中，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。
图3为Ni56Mn21Co4Ga19合金片材在预应变为5.4％时的拉伸应力应变曲线。在图3中，下方的箭头表示预变形后加热到600℃时的应变回复，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：制备Ni56Mn21Co4Ga19热轧片材
称取56％纯度为99.9％的镍、21％纯度为99.5％的锰、4％纯度为99.9％的钴和19％纯度为99.99％的镓。将上述镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa，然后在1900℃反复熔炼4次，得到NiMnCoGa高温形状记忆合金锭材。将上述制得的NiMnCoGa高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的NiMnCoGa高温合金锭材在950℃温度下进行热轧，将合金锭材缓慢的热轧成0.5mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样和部分小片试样，放入热处理炉中，在900℃保温20min，然后迅速进行冰水淬火，即得到本发明要求的拉伸试样和用于DSC测试的试样。
采用Netzsch STA404进行DSC测试，升降温速率均为10℃/min，样品质量小于25mg，所得到的DSC曲线如图1所示，从图1中可以得到合金片材的可逆马氏体相变温度Ms为421℃。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述Ni56Mn21Co4Ga19合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.2mm/min。试样拉伸至一定预变形后在600℃下保温10min以加热回复，使用精确度为10-2mm的读数显微镜测量样品的形状记忆回复应变，上述Ni56Mn21Co4Ga19合金片材的拉伸强度和断裂延伸率分别为491MPa和8.17％，如图2所示。预应变为5.4％的形状记忆可回复应变为2.04％，拉伸应力-应变曲线以及形状记忆回复应变如图3所示。预应变为2.5％时的形状记忆可回复应变为1.1％；
实施例2：制备Ni53Mn22Co6Ga19热轧片材
称取53％纯度为99.9％的镍、22％纯度为99.5％的锰、6％纯度为99.9％的钴和19％纯度为99.99％的镓。将上述镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至6×10-3Pa，充入高纯氩气至0.5×105Pa，然后在2000℃反复熔炼5次，得到NiMnCoGa高温形状记忆合金锭材。将上述制得的NiMnCoGa高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度850℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的NiMnCoGa高温合金锭材在850℃温度下进行热轧，将合金锭材缓慢的热轧成0.8mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样和部分小片试样，放入热处理炉中，在900℃保温20min，然后迅速进行冰水淬火，即得到本发明要求的拉伸试样和用于DSC测试的试样。
采用Netzsch STA404进行DSC测试，升降温速率均为10℃/min，样品质量小于25mg，该合金片材的可逆马氏体相变温度Ms为380℃。采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述Ni53Mn22Co6Ga19合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.2mm/min，试样拉伸至一定预变形后在600℃下保温10min以加热回复，使用精确度为10-2mm的读数显微镜测量样品的形状记忆回复应变，上述Ni53Mn22Co6Ga19合金片材的拉伸强度和断裂延伸率分别为483MPa和5.45％，预应变为3.9％和2.4％时的形状记忆可回复应变分别为1.62％和1.46％。
实施例3：制备Ni50Mn17Co8Ga25热轧片材
称取50％纯度为99.9％的镍、17％纯度为99.5％的锰、8％纯度为99.9％的钴和25％纯度为99.99％的镓。将上述镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.6×105Pa，然后在1800℃反复熔炼5次，得到NiMnCoGa高温形状记忆合金锭材。将上述制得的NiMnCoGa高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，真空度为4×10-3Pa，热处理温度850℃下保温72h后，随炉冷却。将上述得到的合金片材用线切割方法切成部分小片试样，放入热处理炉中，在850℃保温30min，然后迅速进行冰水淬火，即得到本发明要求的用于DSC测试的试样。
采用Netzsch STA404进行DSC测试，升降温速率均为10℃/min，样品质量小于25mg。
实施例4：制备Ni57Mn25Co1Ga17热轧片材
称取57％纯度为99.9％的镍、25％纯度为99.5％的锰、1％纯度为99.9％的钴和17％纯度为99.99％的镓。将上述镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至4×10-3Pa，充入高纯氩气至0.6×105Pa，然后在1700℃反复熔炼6次，得到NiMnCoGa高温形状记忆合金锭材。将上述制得的NiMnCoGa高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，真空度为3×10-3Pa，热处理温度850℃下保温96h后，随炉冷却。将上述得到的合金片材用线切割方法切成小片试样，放入热处理炉中，在850℃保温30min，然后迅速进行冰水淬火，即得到本发明要求的用于DSC测试的试样。
采用Netzsch STA404进行DSC测试，升降温速率均为10℃/min，样品质量小于25mg。
镍锰钴镓高温形状记忆合金的主要性能参数如表1所示。
表1
| 抗拉强度(MPa) | 断裂延伸率(％) | 可逆马氏体相变温度Ms(℃) | 形状记忆回复应变(％) |
| 320～730 | 1～15 | 320～420 | 1～3 |
Claims (10)
1.一种镍锰钴镓高温形状记忆合金，其特征在于其组成及其按原子百分比的含量为镍50％～57％、锰17％～25％、钴1％～8％、镓17％～25％。
2.如权利要求1所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将镍、锰、钴和镓原料放入炉内，抽真空，充入氩气，在1700～2000℃熔炼，得镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材；
2)将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热处理，热处理温度为850～900℃，随炉冷却；
3)将经过热处理的镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材在850～950℃热轧，将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热轧成片状合金材料；
4)将得到的片状合金材料用线切割方法切成试样，热处理后，冰水淬火，即得到镍锰钴镓高温形状记忆合金。
3.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于镍、锰、钴和镓原料的纯度不小于99.5％。
4.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于将镍、锰、钴和镓原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空，真空度至少6×10-3Pa。
5.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于充入氩气至0.5～0.7×105Pa。
6.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于在1700～2000℃熔炼至少4次。
7.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于将镍锰钴镓高温形状记忆合金锭材热处理的真空度为2×10-3～5×10-3Pa。
8.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于在步骤2)中的热处理的时间至少24h。
9.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于片状合金材料的厚度为0.5～1mm。
10.如权利要求2所述的镍锰钴镓高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于试样为哑铃状拉伸试样或/和小片试样，试样的热处理的温度为850～900℃，热处理的时间至少20～30min。
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2007
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