CN102534346A - 一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金及其制备方法，它涉及记忆合金及其制备方法。本发明要解决现有TiNi合金在马氏体状态弯曲变形条件下，双程形状记忆应变量较低，及现有TiNiSn合金制备工艺复杂、合金质脆的问题。本发明的形状记忆合金的化学式为Ti50+xNi50-2xSnx，其制备方法是：一、称取Ti、Ni和Sn；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，所得产物马氏体相变开始温度在72℃左右；弯曲情况下，双程形状记忆应变量可达1.4％。本发明用于制备形状记忆合金。
Description
技术领域
本发明涉及记忆合金及其制备方法。
背景技术
作为一种集感知、驱动于一体的智能材料，TiNi形状记忆合金具有丰富的马氏体相变现象、优良的形状记忆效应与超弹性。TiNi形状记忆合金的一种重要特性是其双程形状记忆效应。所谓双程形状记忆效应是指经过特定的训练后，TiNi形状记忆合金不仅能够“记忆”母相的形状，而且能够记住马氏体相的形状。双程形状记忆效应与其他形状记忆效应之间的本质区别在于其宏观的形状形变是自然产生的，即不需要外力的作用。具有双程形状记忆效应的TiNi形状记忆合金通过简单的加热-冷却-加热的循环即可实现对外做功，达到驱动的目的。因此，呈现双程形状记忆效应的TiNi形状记忆合金在实际工程应用中具有广阔的应用前景，是一种很有前途的驱动器材料。公开发表的文章中总结了双程形状记忆效应的训练工艺，其中马氏体状态的过量变形被认为是一种简单、高效的方法。1999年Liu等人在Acta Materialia中发表的文章“Two-way shape memory effect developed by martensite deformation in NiTi”研究了马氏体状态过量变形对TiNi合金双程形状记忆效应的影响，发现经过变形量为13.3％的拉伸变形后，TiNi合金表现出高达4.1％的双程形状记忆应变。然而，他们仅仅考虑了TiNi合金在拉伸状态下的双程形状记忆效应，并未涉及在其他变形方式下TiNi合金的双程形状记忆效应。在实际工程应用中，弯曲变形是一种获得普遍应用的变形方式，通过TiNi合金马氏体状态的弯曲变形也可以诱发双程形状记忆效应。2004年郑玉峰等人在稀有金属材料与工程上发表题为“Microstructure and phase transformation of TiNi alloy with addition of third element Sn”的文章中利用Sn元素等量取代TiNi合金中的Ti元素与Ni元素，制备了化学式为Ti47.5Ni47.5Sn5与Ti45Ni45Sn10合金，发现合金的马氏体相变温度随Sn含量增加而降低。2008年Lu等人在Journal of Non-crystalline Solids发表题为“glass formation of Ti-Ni-Sn ternary alloys correlated with TiNi-Ti3Sn pseudo binary eutectics”的文章中利用甩带法制备了Ti50+XNi50-2XSnX(X＝6，7，8，9)合金薄带，研究了其玻璃形成能力，其制备工艺复杂，无法获得具有较大尺寸的合金。2011年Choi等人在Scripta Materialia发表题为“crystallization behavior and microstructure of Ti-36Ni-7Sn(at.％)alloy ribbons”的文章，研究了Ti-36Ni-7Sn(at.％)薄带的晶化行为和微观组织以及马氏体相变行为。与Lu等人的工作类似，Choi等人的制备工艺复杂，同样无法 获得较大尺寸的合金。2011年Kim等人在Scripta Materialia发表题为“microstructure and martensitic transformation behavior of Ti-Ni-Sn alloys”的文章，研究了成分为Ti50+XNi50-2XSnX(X＝5，8，10，12.5)合金的马氏体相变与单程形状记忆效应。Kim等人研究的合金非常脆，延伸率小于7.6％，实际工程应用价值不高。
发明内容
本发明要解决现有的TiNi合金在马氏体状态弯曲变形条件下，双程形状记忆应变量较低，以及现有TiNiSn合金制备工艺复杂、合金质脆、工程应用价值不高的问题，而提供一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金及其制备方法。
本发明一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的化学式为Ti50+xNi50-2xSnx，其中X＝3～4。
上述一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行：
一、按物质的量的比为(50+x)∶(50-2x)∶x的比例称取Ti、Ni和Sn，其中X＝3～4；
二、将步骤一中称取的Ti、Ni和Sn放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为500Pa，利用高温电弧将Ti、Ni和Sn原料熔炼成钮扣状铸锭；
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4×10-2Pa，在900～1100℃下保温12～24h；
四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在800～900℃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4×10-2Pa，800～1000℃下保温12～24h，得到Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金。
本发明的有益效果是：本发明所制备的形状记忆合金由TiNiSn三种合金元素组成，通过调整变形量和热处理工艺可以改变合金的双程形状记忆效应，原料价格相对低廉，制备方法简单，热加工性能优异；本发明所制备的Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金，其马氏体相变开始温度在72℃左右；其断裂强度为594MPa，延伸率为13％；双程形状记忆应变量可达1.4％，同样条件下，近等原子比TiNi合金的双程形状记忆应变量仅为1％，本发明所制备的Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金，是一种具有应用前景的新型形状记忆合金。
本发明用于制备TiNiSn基形状记忆合金。
附图说明
图1是实施例一制备的Ti54Ni42Sn4合金的XRD图谱，其中S代表Ti3Sn的特征峰，M代表TiNiSn的特征峰；图2是实施例一制备的Ti54Ni42Sn4合金的DSC曲线图；图3是实施例一制备的Ti54Ni42Sn4合金的应力-应变曲线图；图4是实施例一制备的 Ti54Ni42Sn4合金和近等原子比TiNi合金在不同马氏体变形量下的双程形状记忆应变量图，其中 
代表Ti54Ni42Sn4合金， 
代表TiNi合金。
具体实施方式
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。
具体实施方式一：本实施方式一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的化学式为Ti50+xNi50-2xSnx，其中X＝3～4。
本实施方式的Ti54Ni42Sn4形状记忆合金，具有良好的热加工性能，其马氏体相变开始温度在72℃左右；其断裂强度为594MPa，延伸率为13％；双程形状记忆应变量可达1.4％，完全能够满足实际工程应用的需要。
具体实施方式二：本实施方式一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行：
一、按物质的量的比为(50+x)∶(50-2x)∶x的比例称取Ti、Ni和Sn，其中X＝3～4；
二、将步骤一中称取的Ti、Ni和Sn放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为500Pa，利用高温电弧将Ti、Ni和Sn原料熔炼成钮扣状铸锭；
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4×10-2Pa，在900～1100℃下保温12～24h；
四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在800～900℃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4×10-2Pa，800～1000℃下保温12～24h，得到Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一中Ti、Ni和Sn的纯度均不低于99.9％。
本发明所制备的形状记忆合金由TiNiSn三种合金元素组成，通过调整变形量和热处理工艺可以改变合金的双程形状记忆效应，原料价格相对低廉，制备方法简单，热加工性能优异；本发明所制备的Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金，其马氏体相变开始温度在72℃左右；其断裂强度为594MPa，延伸率为13％；双程形状记忆应变量可达1.4％，同样条件下，近等原子比TiNi合金的双程形状记忆应变量仅为1％，本发明所制备的Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金，是一种具有应用前景的新型形状记忆合金。
实施例一：
本实施例一种Ti54Ni42Sn4形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行：
一、按物质的量的比为54∶42∶4的比例称取纯度均为99.9％的Ti、Ni和Sn；
二、将步骤一中称取的Ti、Ni和Sn放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2×10-2Pa，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Ti、Ni和Sn原料熔炼成厚度为16mm的钮扣状铸锭；
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4×10-2P，在900℃下保温12h进行均匀化处理；
四、将经步骤三均匀化处理后的钮扣状铸锭在900℃下，进行热轧，得到厚度为1.5mm的板材，将板材放入真空炉中，抽真空使真空度达到4×10-2Pa，在900℃下保温12h进行固溶处理，得到Ti54Ni42Sn4形状记忆合金。
采用电火花切割方法，从实施例一制备的Ti54Ni42Sn4形状记忆合金中切取长度为20mm、宽度为20mm、厚度为1.5mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，作为X射线衍射测试样品，图1为样品的XRD谱图，表明合金在室温下为TiNi马氏体相与Ti3Sn相的混合物；
采用电火花切割方法，从实施例一制备的Ti54Ni42Sn4形状记忆合金中切取长度为3mm、宽度为1.5mm、厚度为1.5mm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72℃，逆相变开始温度(As)为56℃。
采用电火花切割方法，从实施例一制备的Ti54Ni42Sn4形状记忆合金中切取长度为20mm、宽度为1.5mm、厚度为1.5mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，在Instron 3365型电子材料万能试验机上测试其力学行为，图3为样品的应力-应变曲线，样品的断裂强度为594MPa，延伸率为13％。
采用电火花切割方法，从实施例一制备的Ti54Ni42Sn4形状记忆合金中切取长度为20mm、宽度为1.5mm、厚度为1.5mm的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，采用文献1(Materials Letters，Two-way shape memory effect induced by martensite deformation and stabilization of martensite in Ti36Ni49Hf15 high temperature shape memory alloy.57(2003)4206-4211)中的测试方法，测试样品的双程形状记忆效应，图4为样品和近等原子比TiNi合金在不同变形量下的双程记忆应变量图，当变形量为11％时，其双程形状记忆应变量为1.4％。同样条件下，近等原子比TiNi合金的双程形状记忆应变量仅为1％。
Claims (2)
1.一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金，其特征在于Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的化学式为Ti50+xNi50-2xSnx，其中X＝3～4。
2.如权利要求1所述的一种Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的制备方法，其特征在于Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行：
一、按物质的量的比为(50+x)∶(50-2x)∶x的比例称取Ti、Ni和Sn，其中X＝3～4；
二、将步骤一中称取的Ti、Ni和Sn放入非自耗真空电弧炉内，抽真空使背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充入高纯氩气至炉内压强为500Pa，利用高温电弧将Ti、Ni和Sn原料熔炼成钮扣状铸锭；
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4×10-2Pa，在900～1100℃下保温12～24h；
四、将经步骤三处理的钮扣状铸锭在800～900℃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4×10-2Pa，在800～1000℃下保温12～24h，得到Ti50+xNi50-2xSnx形状记忆合金。
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