CN102534447A

CN102534447A - 提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法

Info

Publication number: CN102534447A
Application number: CN2012100169769A
Authority: CN
Inventors: 马爱斌; 张萍; 江静华; 刘冠国; 宋丹
Original assignee: Changzhou Hehai Institute Of Science And Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Current assignee: Changzhou Hehai Institute Of Science And Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种改善Cu-Al系形状记忆合金的组织结构以提高其记忆稳定性的组合加工方法。第一步，等通道转角挤压：将含11wt.%铝的粗晶铸态Cu-Al合金块材切割成柱状试件，试件经常规预处理后与模具表面都均匀涂覆固体润滑剂，然后将试件置入模具中随炉加热至500℃保温后进行多道次等通道转角挤压变形，直至获得平均粒径≤1μm的超细晶组织；第二步：后续热处理：将第一步所得的柱状试件加热至600℃保温后油淬至室温，获得亚微米晶热弹性马氏体组织，最终制备出记忆稳定性优良的Cu-Al系形状记忆合金块材。本发明可在不改变Cu-Al系合金试件形状和尺寸的情况下提高其记忆稳定性。其工艺操作与设备要求简单，成材率高，可用于高记忆稳定性Cu-Al系合金块材的制备与加工，工业应用前景良好。

Description

提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法

技术领域

本发明涉及一种利用等通道转角挤压和后续热处理改善Cu-Al系形状记忆合金的组织结构以提高其记忆稳定性的组合加工方法，属于形状记忆合金加工技术领域。

背景技术

尽管Cu-Al系形状记忆合金具有较好的形状记忆效应和较高的阻尼性能，但其铸态合金晶粒粗大，力学性能不佳而不易加工，记忆稳定性尤待提高。目前，晶粒细化是公认的改善金属材料综合使用性能的有效方法，从Cu-Al系形状记忆合金的组织细化和加工工艺入手，有望改善其微观组织结构，从而提高其记忆稳定性和热机械性能。

铜基形状记忆合金的晶粒细化方法包括合金化法、快速凝固法和粉末冶金法等。加入适量的B、V、Ti、Zr等元素对铜材进行合金化，可生成第二相以阻碍铸态铜基体晶粒长大或阻止其晶界移动，但这些元素优先在晶界处富集，使固溶处理时晶粒长大趋势增加。在惰性气氛下，将熔融态的铜液直接喷射到高热导率材料制成的高速旋转的辊子外表面，熔液在很大的过冷度下形核率显著增大，可使铜合金的晶粒细化1－2个数量级，但它降低了铜合金的有序度，在时效过程中相变温度不稳定，尺寸和形状上也存在局限性。将高纯度的金属单质制成微细粉末，按比例混合均匀，在高温高压下进行烧结，可得到良好的抗循环衰减性和延展性，但其工艺参数难以控制。可见，上述方法虽可在不同程度上解决铜合金的晶粒粗大问题，却依然存在各种不足。

等通道转角挤压（ECAP）是20世纪80年代由俄罗斯科学家Segal教授和他的同事们在研究金属纯剪切变形的基础上发展起来的，其最初的目的是在不改变金属材料初始形状和截面尺寸的情况下产生剧烈的塑性变形，从而使材料的重复变形成为可能。90年代后，ECAP逐渐发展为一种制备块状、致密、超细晶块体金属材料的有效方法。它是利用试验材料在两个等径通道的相交区域发生的近似理想的剪切变形以及在加工过程中存在的加工硬化、动态回复和再结晶等来控制材料微观组织，从而达到细化晶粒和提高材料使用性能的目的。利用ECAP工艺制备的超细晶块体金属材料可表现出优异的机械和理化特性，如：Z.Horita在1×10^-4/s～33/s各种应变速率下研究了Al-Mg-Sc合金的延伸率，在3.3×10^-2/s的应变速率下，其延伸率可达2280％。

由于等通道转角挤压法具有诱人的发展前景，国内外越来越多的研究机构已涉入该研究领域，如：美国德克萨斯A＆M大学、俄罗斯UFA航空学院、南加利福尼亚大学、美国Almos国家重点实验室、日本大阪府立大学和日本九州大学等；哈尔滨工业大学、中国科学院金属研究所、河海大学、南京理工大学、西安建筑科技大学等。目前，研究者已经采用ECAP法对Al和Al合金、Mg和Mg合金、Cu合金、Ni、Ti和Ti合金及低碳钢等进行了不同路径、不同挤压道次的加工，各种合金的晶粒均得到显著细化，其强度、疲劳性能或超塑性均得到了不同程度的改善。ECAP加工的超细晶块体金属材料也已经开始投入实际应用，如俄罗斯科学家制备了超细晶1420铝合金，经高应变速率超塑性成型后加工成内燃机上的活塞；ECAP加工的大尺寸AA6061合金也已被用来制备锻造工业用零件。近年来，已有研究者将该工艺应用于Ni-Ti和Fe-Mn-Si等形状记忆合金的组织细化和微观结构改善，取得了较好的效果；而有关ECAP加工对Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的影响研究却未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺操作与设备要求简单的Cu-Al系形状记忆合金组合加工方法，藉此在不改变试件形状和尺寸的情况下提高合金的记忆稳定性，同时保持其良好的热机械性能，提高其成材率。鉴于等通道转角挤压加工技术在改善金属材料综合性能方面的广阔实用前景，我们围绕Cu-Al系形状记忆合金的等通道转角挤压和后续热处理组合加工工艺进行了细致的研究工作，旨在改善该系列形状记忆合金的微观组织结构，在提高其综合力学性能的同时提高其记忆稳定性，促进其规模化应用。本专利申请涉及了一种具有实用价值的提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法。

本发明的特征在于将连续ECAP热挤压和后续热处理组合工艺应用于脆性较大的、含11wt.%铝的粗晶铸态Cu-Al系形状记忆合金，通过组织细化实现其记忆稳定性的提高。具体技术方案如下：

一种提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法，其特征在于加工步骤如下：第一步：等通道转角挤压加工，将含11wt.%铝的粗晶铸态Cu-Al系合金块材切割成柱状试件，试件经常规预处理后与模具表面都均匀涂覆固体润滑剂，然后将试件置入模具中随炉加热至500℃保温后进行多道次等通道转角挤压变形，相邻道次之间试样旋转180°以提高挤压组织均匀性，直至获得平均粒径≤1μm的超细晶组织；第二步：后续热处理，将第一步所得柱状试件加热至600℃保温并油淬至室温，获得亚微米晶热弹性马氏体组织，最终制备出记忆稳定性优良的Cu-Al系形状记忆合金块材。

等通道转角挤压加工。首先根据Cu-Al系二元合金相图确定挤压温度为500℃，若温度过高，Cu-Al合金容易发生动态再结晶达不到细化晶粒的目的，同时模具容易软化变形；若温度过低，则合金塑性差，试块易开裂或整体破碎，无法进行连续多道次的ECAP加工。连续ECAP加工前，先根据模具尺寸要求将晶粒粗大的（通常平均粒径为数百微米）、含11wt.%铝的铸态Cu-Al系合金块材切割成柱状试件，试件按常规预处理工艺(如：机械磨光、除油、除锈、清洗等)以获得清洁表面，然后将试件和模具表面均匀涂覆固体润滑剂（如：二氧化钼、石墨等）以免ECAP时发生粘模现象；然后将试件置入模具中预热至500℃并进行保温，再施加压力进行连续多道次ECAP加工，相邻挤压道次之间试样旋转180°（即传统的C路径）以提高挤压组织均匀性，最终使Cu-Al系合金的室温组织中晶粒显著细化并获得超细晶组织（平均粒径≤1μm）。尽管ECAP加工后Cu-Al系合金的抗拉强度明显提高，但其室温组织中的热弹性马氏体消失从而丧失形状记忆效应。

后续淬火热处理，将第一步所得柱状试件加热至600℃保温并油淬至室温以恢复热弹性马氏体。由于Cu-Al系合金在不同冷却介质中淬火所得到的室温马氏体组织形态基本相似，故推荐采用油为冷却介质以减少淬火裂纹的产生。ECAP态的Cu-Al系合金经600℃淬火处理后，可重新获得亚微米晶热弹性马氏体组织（晶粒尺寸约几十微米），使之恢复形状记忆效应且记忆稳定性明显提高，淬火后的合金由于晶粒较细仍能保持良好的热机械性能，因此可最终制备出记忆稳定性优良的Cu-Al系形状记忆合金块材。

与其他晶粒细化方法相比，本发明提供的加工方法具有以下优势：将ECAP工艺和热处理工艺相结合，可在不改变试件形状和尺寸的情况下细化Cu-Al系形状记忆合金的晶粒和第二相分布形态，改善铸态合金的成分偏析，从而提高该系列合金的记忆稳定性，并解决其室温力学性能较差的问题，提高其成材率。其工艺操作与设备要求简单，可用于细晶高记忆稳定性Cu-Al系形状记忆合金块材的制备与加工，工业应用前景良好。

附图说明

图1 铸态Cu-11wt.%Al合金的室温金相组织

图2 Cu-11wt.%Al合金经500℃8道次ECAP加工后的室温金相组织

图3 Cu-11wt.%Al合金经组合加工(500℃8道次ECAP +600℃保温后热淬)的室温金相组织

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的ECAP热挤压和后续热处理组合加工以提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的方法不只局限于该具体实例。

所有试验用Cu-Al系形状记忆合金试件在组合加工前均需根据ECAP模具的尺寸进行切割，并按常规预处理工艺处理以获得清洁、干燥的表面。根据试件表面实际状况，预处理工艺可选择以下步骤的不同组合，即：机械磨光、除油、除锈、清洗，最后涂敷固体润滑剂（如：涂敷石墨、二氧化钼）以免ECAP时发生粘模现象。

实施例1：

采用线切割将铸态 Cu-11wt.%Al 形状记忆合金加工成10mm×10mm×40mm的柱状试件，其室温组织中马氏体晶粒粗大（平均直径为227μm），且晶粒尺寸分散（介于100~300μm之间），马氏体晶界上分布着少量粗大的AlCu₄相及杂质（见图1）。将切割后的试件进行表面预处理，然后置入模具中预热至500℃保温30min，再施加压力进行连续8道次ECAP挤压, 相邻挤压道次之间试样旋转180°(即传统的C路径)以提高挤压组织均匀性，加工后合金组织显著细化（平均粒径1μm），此时热弹性马氏体消失（见图2）。将ECAP后试件放入退火炉加热至600℃保温30min，然后取出油淬至室温，其显微组织（见图3）恢复为18R热弹性马氏体，尽管晶粒尺寸有所增大（约42μm）但明显低于原始铸态合金，其晶粒尺寸分布均匀，晶界得到净化。Cu-11wt.%Al合金组合加工后的抗拉强度比铸态合金提高了53%；该合金经10次热循环试验后形状回复率达到稳定值，其值高达50%，而铸态合金回复率仅为33%，即该合金经组合加工后的形状记忆稳定性提高了51%。

实施例2：

采用线切割将铸态 Cu-11wt.%Al 形状记忆合金加工成10mm×10mm×40mm的柱状试件，其室温组织中马氏体晶粒粗大（平均直径为221μm），且晶粒尺寸分散（介于100~300μm之间），马氏体晶界上分布着少量粗大的AlCu₄相及杂质（见图1）。将切割后的试件进行表面预处理，然后置入模具中预热至500℃保温30min，再施加压力进行连续8道次ECAP挤压, 相邻挤压道次之间试样旋转180°(即传统的C路径)以提高挤压组织均匀性，加工后合金组织显著细化（平均粒径1μm），此时热弹性马氏体消失。将ECAP后试件放入退火炉加热至600℃保温70min，然后取出油淬至室温，其显微组织恢复为18R热弹性马氏体，平均晶粒尺寸为50μm。Cu-11wt.%Al合金组合加工后的抗拉强度比铸态合金提高了50%；该合金经10次热循环试验后的形状回复率仍达到49%，而铸态合金回复率仅为31%，即该合金经组合加工后的形状记忆稳定性提高了58%。

Claims

1.一种提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法，其特征在于加工步骤如下：

第一步：等通道转角挤压加工，将含11wt.%铝的粗晶铸态Cu-Al系合金块材切割成柱状试件，试件经常规预处理后与模具表面都均匀涂覆固体润滑剂，然后将试件置入模具中随炉加热至500℃保温后进行多道次等通道转角挤压变形，相邻道次之间试样旋转180°以提高挤压组织均匀性，直至获得平均粒径≤1μm的超细晶组织；

第二步：后续热处理，将第一步所得柱状试件加热至600℃保温并油淬至室温，获得亚微米晶热弹性马氏体组织，最终制备出记忆稳定性优良的Cu-Al系形状记忆合金块材。