CN101962743A - 晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有细小晶粒尺寸TiNi的块体纳米晶材料的制备方法，该发明通过先采用电塑性轧制TiNi粗晶合金结合后续热退火技术制备具有纳米晶尺寸40～50nm的TiNi块体纳米晶前驱材料，对所述前驱材料进行拉伸变形，通过材料拉伸断裂过程中引入较大的应力作用于该纳米晶前驱材料，利用TiNi合金在室温便可发生相变的特性，通过变形诱导TiNi合金发生马氏体相变，在新相的形成过程中获得平均晶粒尺寸10～20nm的TiNi块体纳米晶合金材料，所述方法的参数为：电塑性轧制电流密度：84Amm-2，脉冲电流频率：103Hz，脉冲持续时间：8×10-5s，应变量：e＝1.7，后续退火温度：440-460℃，退火时间：1h，退火真空度：p＜10-4Pa。本发明为具有细小晶粒尺寸的块体纳米晶的应用和发展提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种块体纳米晶材料的制备技术领域，特别是涉及到一种晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶材料的制备方法。
背景技术
纳米晶材料由于与传统材料相比具有优异的机械、化学、光学、电学、磁学等功能特性，它的发展和应用在国民经济和高科技领域占据非常重要的地位。尤其是晶粒尺寸细小(＜20nm)且缺陷较少的块体纳米晶材料(外形尺寸在毫米级别)，由于如此细小的晶粒尺寸会导致一些更加奇特的特性因而具有更加广阔的应用前景。但该类纳米材料的制备相当复杂和困难。块体纳米晶材料的制备主要分为从小到大和从大到小两种途径，其中，从小到大的制备方法主要通过纳米颗粒的压制成型完成，在制备过程中会存在大量的缺陷，从而影响纳米晶材料的性能。从大到小的制备途径主要涉及的方法有：严重塑性变形、块体非晶晶化、等离子体或电火花烧结、惰性气体冷凝法等，然而这些方法所制备的块体纳米晶材料的晶粒尺寸一般集中在20-100nm范围内甚至更大。制备晶粒尺寸小于20nm的块体纳米晶材料十分困难，尤其是块体的纯金属或二元合金材料。电沉积曾被用来成功的制备某些晶粒小于20nm的纳米晶材料，然而，电沉积方法很难制备出尺寸较大的块体纳米晶材料，因而，如何制备晶粒尺寸小于20nm的且具有较大外形尺寸的块体纳米晶材料一直是材料制备领域的一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶材料的制备方法，它明显不同于其它的方法，它通过首先采用电塑性轧制结合后续退火技术制备具有较大平均晶粒尺寸(40～50nm)的TiNi块体纳米晶前驱材料，然后对该前驱材料进行拉伸变形直至断裂，利用TiNi合金本身可以在室温变形发生马氏体相变的特征，通过变形相变过程中内生出晶粒尺寸细小的B19’相纳米晶，从而制备晶粒尺寸细小(平均晶粒尺寸10～20nm)的TiNi块体纳米晶材料。
本发明所提供的制备晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶材料的方法所采用的工艺步骤是：
1.采用800-850℃退火1-2h后快速冷却的方法制备合金成分比例范围0.49∶0.51～0.51∶0.49的TiNi块体粗晶合金材料。
2.对上述制备的TiNi块体粗晶材料进行电塑性轧制，在对所述块体粗晶材料进行轧制的过程中脉冲电源提供脉冲电流，电流密度：84Amm-2，脉冲电流频率：103Hz，脉冲持续时间：8×10-5s，轧制应变量：e＝1.7，轧制后TiNi块体材料的厚度为0.4mm。
3.对电塑性轧制制备出的TiNi块体粗晶合金进行高真空退火，退火温度：440-460℃，退火时间：1h，退火真空度：p＜10-4Pa。退火后TiNi合金具有B2结构，平均晶粒尺寸为40～50nm，该合金作为制备晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶前驱材料。
4.室温下，将上述制备的晶粒尺寸40～50nm的TiNi块体纳米晶前驱材料进行拉伸变形。首先将TiNi前驱材料制备成拉伸样品，采用5848拉伸试验机将样品两端固定，对其进行拉伸实验，应变速率为：10-3s-1，拉伸直至断裂，由于TiNi材料在室温下变形便可发生马氏体相变，通过变形相变过程中内生出晶粒尺寸细小的B19’相纳米晶，在断口附近便可获得晶粒尺寸10～20nm的TiNi块体纳米晶材料。
本发明的有益效果是：利用具有较大纳米晶尺寸(40～50nm)的TiNi块体纳米晶材料，在强变形的条件下，在室温发生马氏体相变内生出具有较小纳米晶尺寸的(10～20nm)具有B19’相的块体纳米晶材料，这使得在纳米晶材料的制备过程中避免了晶粒尺寸的长大，因而本发明可以制备出晶粒尺寸非常细小的TiNi块体纳米晶材料。
附图说明
图1是制备TiNi块体纳米晶前驱材料的电塑性轧制(a)和拉伸实验装置(b)示意图；
图2是电塑性轧制制备的TiNi块体纳米晶前驱材料的透射电镜明场像(a)和晶粒尺寸分布图(b)；
图3是TiNi块体纳米晶前驱材料变形后生成的具有细小晶粒尺寸的块体纳米晶材料的透射电镜暗场像(a)和晶粒尺寸分布图(b)。
在图1中，1.上轧辊，2.TiNi块体粗晶合金样品，3.托板，4.脉冲电源，5.电流流通方向，6.下轧辊，7.拉伸样品，8、9.拉伸方向，10.断裂裂纹。
具体实施方式
在室温下，对成分比例0.507∶0.493的TiNi块体粗晶样品2进行电塑性轧制，所述TiNi块体粗晶合金样品2是采用800-850℃退火1-2h后快速冷却的方法制备的，该粗晶样品的厚度为2.14mm，宽为6mm，长为150mm，具有B2结构，平均晶粒尺寸为80μm。实验装置示意图如图1(a)所示，将TiNi块体粗晶合金样品2放到两个轧辊(1、6)之间进行轧制，真应变量为e＝1.7，在轧制过程中由脉冲电源4提供强脉冲电流，强脉冲电流从脉冲电源4的负极流出经托板3进入TiNi块体粗晶合金样品2，然后通过轧辊1流回脉冲电源正极，5表示脉冲电流的流动方向，这样可以确保在轧制的区域有脉冲电流通过。电流密度：84Amm-2，脉冲电流频率：103Hz，脉冲持续时间：8×10-5s，通入脉冲电流的目的是提高样品的变形能力，从而获得理想的结构。托板3的作用一是用来拖住TiNi块体粗晶合金样品2进行送样，二是作为电路的一部分，使得被轧制TiNi块体粗晶合金样品2中一直有电流通过。电塑性轧制获得的TiNi块体粗晶合金样品2而后进行高真空退火，退火温度：450℃，退火时间：1h，退火真空度：p＜10-4Pa，退火后便获得了具有图2所示的微结构，平均晶粒尺寸～45nm的块体纳米晶前驱材料。然后，把该块体前驱材料制备成如图1(b)所示的拉伸样品7形状，在拉伸试验机上固定拉伸样品7，两端对拉伸样品7沿着8、9两个方向进行拉伸，直至断裂裂纹10出现后拉伸样品7断裂，拉伸样品7断裂后在断口附近应力集中地方便可获得如图3所示结构的平均晶粒尺寸～14nm的TiNi块体纳米晶材料。该TiNi块体纳米晶合金材料的外形尺寸为：长3mm，宽2mm，厚0.4mm。
图2(a)和图3(a)所示的照片是在透射电镜上所获得的明场像和暗场像照片。从该照片上可以看出TiNi块体纳米晶前驱材料的平均晶粒尺寸～45nm，所制备出的TiNi块体纳米晶合金材料的晶粒尺寸～14nm。该TiNi块体纳米晶合金材料晶粒尺寸以及微结构的观察是在JEM-2010透射电子显微镜上完成的，观察电压：200kV。
Claims (1)
1.一种晶粒尺寸细小的TiNi块体纳米晶材料的制备方法，其特征是：所述方法的具体步骤是：
a.采用800-850℃退火1-2h后快速冷却的方法制备合金成分比例范围0.49∶0.51～0.51∶0.49的块体TiNi粗晶合金；
b.在室温下，对TiNi块体粗晶合金进行电塑性轧制，将TiNi块体粗晶合金样品(2)放到两个轧辊(1、6)之间进行轧制，轧制应变量：e＝1.7，轧制的过程中由脉冲电源(4)提供强脉冲电流，电流密度：84Amm-2，脉冲电流频率：103Hz，脉冲持续时间：8×10-5s，脉冲电流通过托板(3)进入TiNi块体粗晶合金(2)而后通过轧辊沿着(5)所示的方向流回脉冲电源(4)；
c.对电塑性轧制获得的TiNi块体粗晶合金样品(2)进行高真空退火，退火温度：440-460℃，退火时间：1h，退火真空度：p＜10-4Pa，获得平均晶粒尺寸40～50nm的TiNi块体纳米晶前驱材料；
d.将TiNi块体纳米晶前驱材料制备成拉伸样品(7)，在拉伸试验机上固定拉伸样品(7)的两端，对拉伸样品(7)沿着(8)、(9)两个方向进行拉伸，应变速率为：10-3s-1，直至拉伸样品(7)断裂，拉伸样品(7)断裂后在断口附近应力集中的地方取下样品，获得均晶粒尺寸10～20nm的TiNi块体纳米晶材料。
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