CN104999085A - 纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法。(1)对TiNi基形状记忆合金箔与增强金属箔进行表面酸洗；(2)将酸洗后的TiNi基形状记忆合金和增强金属箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金箔，利用烧结工艺烧结成型；(3)将烧结成型的TiNi基合金复合材料真空密封在不锈钢或纯Ti包套内，在室温～500℃温度下反复轧制；(4)在200℃～600℃范围内进行退火处理，得到纳米片层相增强TiNi基复合材料板材。本发明具有工艺简单、易于调控、对设备要求低等优点。利用本发明制备的纳米片层相增强TiNi基复合板材可适用于阻尼构件、驱动器与医疗器械等。

Description

纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种增强TiNi基合金复合板材的制备方法，具体地说是一种纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法。
背景技术
凭借其优异的形状记忆效应与超弹性以及良好的生物相容性等特性，TiNi基形状记忆合金在航空航天、机械电子与生物医疗等领域均获得了广泛应用。近年来，以TiNi形状记忆合金为基体的复合材料表现出诸多新奇的特性，引起了研究者的广泛关注，有望拓宽形状记忆材料的应用范围。例如，纳米线或纳米片层NbTi增强TiNi(Nb)复合材料表现出低弹性模量、高弹性极限和屈服强度等特点；纳米片层W增强TiNi复合材料具有高屈服强度、可调控的相变滞后和高X光可见性；将Ag复合到TiNi基体中则可以赋予材料一定的杀菌特性，在生物医疗器械领域具有广阔的应用前景。
对于上述复合材料，现有制备工艺主要是利用Nb、W与Ag等在TiNi合金中溶解度有限的特性，采用真空熔炼工艺原位制备复合材料，然后通过大变形量的冷拔与冷轧等工艺获得型材。在真空熔炼工序，由于组成元素的物理特性存在巨大差异，给合金熔炼带来很大的困难。例如，Nb与W的熔点分别高达2468℃与3407℃，并且两种元素的密度大，因此在熔炼时容易造成成分偏析；Ag熔点约在980℃，远低于Ti或Ni的熔点，并且密度小，在熔炼时易浮在熔融液体的上层。在冷加工变形阶段，由于铸锭中增强相的尺寸与分布都不均匀，所以最终获得的纳米线或纳米片层相的尺寸也不均匀。此外，由于获得纳米线或纳米层片增强相需要非常大的塑性变形，所以最终的材料形式以细丝或薄板为主。上述缺点在一定程度上制约了纳米线或纳米片层增强TiNi基复合材料的工程应用。
《中国石油大学学报》(自然科学版),2012,36(3)151－154中刊登的“超细片层NbTi/TiNi记忆合金复合材料的制备与功能特性”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备超细片层NbTi/TiNi记忆合金复合材料。申请号为201010150612.0的专利文件中公开的“一种NbTi/TiNi记忆合金复合材料及其制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备超细片层NbTi/TiNi记忆合金复合材料；申请号为200810118675.0的专利文件中公开的“TiNiNb/NbTi记忆合金复合材料及其制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备NbTi/TiNi记忆合金复合材料；申请号为201110385005.7的专利文件中公开的“W/TiNi记忆合金复合材料及其制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备W/TiNi记忆合金复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决纳米片层相增强TiNi基复合材料熔炼困难、增强相分布与尺寸不均匀的问题的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)对TiNi基形状记忆合金箔与增强金属箔进行表面酸洗；
(2)将酸洗后的TiNi基形状记忆合金和增强金属箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金箔，利用烧结工艺烧结成型；
(3)将烧结成型的TiNi基合金复合材料真空密封在不锈钢或纯Ti包套内，在室温～500℃温度下反复轧制；
(4)在200℃～600℃范围内进行退火处理，得到纳米片层相增强TiNi基复合材料板材。
本发明还可以包括：
1、所述增强金属箔为Nb、W或Ag箔。
2、所述烧结工艺为热压烧结或放电等离子烧结，烧结温度为800～1100℃，烧结压力为30～90MPa，烧结时间为0.5～4小时。
3、所述TiNi基形状记忆合金箔的原子比为含48-52％Ti、其余为Ni。
为解决纳米片层相增强TiNi基复合材料熔炼困难、增强相分布与尺寸不均匀的问题，本发明提供了一种纳米片层相增强TiNi基复合材料的制备工艺。本发明工艺简单、便于调控、对设备要求低、易于实现批量生产。
本发明的纳米片层相增强TiNi基合金复合材料制备方法是以TiNi合金板材与增强金属箔为原材料，将经过预处理的TiNi合金箔与增强纯金属箔交替叠放并保证最外层为TiNi合金，利用烧结工艺将上述箔材组烧结成型，将箔材组轧制然后进行退火处理，即可获得纳米片层相增强的TiNi基合金复合板材。所述增强金属元素为Nb、W、Ag等在TiNi合金中溶解度小，并且不会与基体元素形成脆性相元素。
本发明所选择的增强相金属主要包括Nb、W与Ag，其共同特点是在TiNi基体中溶解度小、并且不会与基体金属形成脆性相。在烧结过程中，增强相金属可以扩散进入TiNi基体中，从而形成牢固的冶金结合。利用随后的轧制可以将增强相的厚度减至纳米量级，纳米片层结构具有比表面积大、与基体界面结合强度高等特点。利用本工艺制备的纳米片层增强TiNi基复合材料板材具有独特的性能优势，例如纳米线或纳米片层NbTi增强TiNi(Nb)复合材料具有低弹性模量、高弹性极限和屈服强度等特点；纳米片层W增强TiNi复合材料具有高屈服强度、可调控的相变滞后和高X光可见性；纳米片层Ag增强TiNi复合材料则具有杀菌、热导率高等优点。
本发明的制备工艺具有简单、易于调控、对设备要求低等特点。本发明可以通过调整增强相金属的初始厚度与TiNi合金厚度之间的比例，方便地调整增强相的体积分数，从而满足不同的实际需要。可以通过调整增强相金属的种类，获得具有不同特性的复合材料。也可以通过调整叠放的层数和增强相金属与基体合金的厚度，获得具有不同尺寸的复合材料。
本发明所制备的纳米片层相增强TiNi基复合材料适用于阻尼构件、驱动器以及医疗器械等。
附图说明
图1为纳米片层Nb相增强TiNi基合金复合板材的技术路线。
图2为TiNi合金与Nb箔的叠放示意图。
图3为包套组装结构示意图。
具体实施方式
本发明的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法主要包括：
(1)根据设计要求，选择TiNi基形状记忆合金箔与增强金属箔的厚度，将其进行表面酸洗；
(2)将酸洗后的TiNi基形状记忆合金和增强金属箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金箔，利用烧结工艺在一定压力和温度下将其烧结成型；
(3)将烧结成型的TiNi基合金复合材料真空密封在不锈钢或纯Ti包套内，在室温-500℃温度下反复轧制至所需要的厚度；
(4)将上述复合板材在200℃-600℃范围内进行退火处理，即可得到纳米片层相增强TiNi基复合材料板材。
所述增强相金属元素包括Nb、W与Ag等，其特征为在TiNi基合金中溶解度小，并且不会与基体元素形成脆性相。
下面举例对本发明做更详细的描述。
具体实施方式一：
(1)将TiNi形状记忆合金箔置于HF、HNO3以及去离子水混合溶液中进行酸洗；
(2)将Nb箔用金相砂纸进行打磨，去除表面氧化皮；
(3)将酸洗的TiN形状记忆合金置于丙酮中超声波清洗15分钟，并用酒精冲洗干净；
(4)将酸洗的TiNi基形状记忆合金和Nb箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金板材，利用热压烧结工艺将其烧结成型，背底真空为2×10-3-1×10-2Pa，烧结压力为30-90MPa，烧结温度为900～1100℃，烧结时间为0.5～4h；
(5)将烧结成型的复合型材真空密封在不锈钢包套内，在室温～500℃温度下轧成板材，轧制变形量为30％～70％；
(6)将轧制后的复合板材在200℃～600℃退火处理1-2h，即可得到纳米片层状Nb相增强的TiNi基复合板材。
具体实施方式二：
本实施方式与实施方式一的区别在于，本实施方式中步骤(4)中所采用的烧结方式为放电等离子烧结，烧结压力为30～90MPa，烧结温度为850～1000℃，烧结时间为0.5～1h。
具体实施方式三：
本实施方式与实施方式一的区别在于，本实施方式中步骤(2)与步骤(4)中所采用的是金属W箔。
具体实施方式四：
本实施方式与实施方式三的区别在于，本实施方式中步骤(4)中所采用的烧结方式为放电等离子烧结，烧结压力为30～90MPa，烧结温度为900～1100℃，烧结时间为0.5～1h。
具体实施方式五：
本实施方式与实施方式一的区别在于，本实施方式步骤(2)与步骤(4)中所采用的是金属Ag箔，步骤(4)中烧结压力为30～90MPa，烧结温度为800～950℃，烧结时间为0.5～4h。
具体实施方式六：
本实施方式与实施方式五的区别在于，本实施方式步骤(4)中所采用的烧结方式为放电等离子烧结，烧结压力为30～90MPa，烧结温度为750～900℃，烧结时间为0.5～1h。
最后需要说明的是，本发明步骤(5)中不锈钢包套可以替换为纯Ti包套。
下面通过一个实施例来验证本发明的效果：
结合图1，本实施例的技术路线包括：
(1)将成分为Ti48.8Ni51.2形状记忆合金箔置于体积百分比为1:2:10的HF、HNO3以及去离子水混合溶液中酸洗，箔材最终厚度为0.6mm；
(2)将Nb箔用金相砂纸打磨，去除表面氧化皮，最终厚度为0.2mm；
(3)将酸洗的TiNi形状记忆合金置于丙酮中超声波清洗15分钟，并用酒精冲洗干净；
(4)将酸洗的TiNi形状记忆合金和Nb箔交替叠放并保证最外层为TiNi合金，叠放层数为11层。利用放电等离子烧结将其烧结成型，背底真空为2×10-3Pa，烧结压力为60MPa，烧结温度为850℃，烧结时间为0.5h；图2是TiNi记忆合金与Nb箔的叠放示意图，图2中1为TiNi记忆合金、2为Nb箔。
(5)将烧结成型的复合型材真空密封在不锈钢包套内，在400℃温度下轧成板材，轧制变形量为70％；图3是包套组装结构示意图，图3中3为上盖板、4为交替叠放合击版、5为包套、6为下盖板。
(6)将轧制后的复合板材在450℃退火处理1h，即可得到纳米片层状Nb相增强的TiNi基复合板材。
本实施例中所获得纳米片层状Nb相增强TiNi基复合板材的弹性极限可以达到5％，屈服强度可达1.6GPa以上，是一种极具应用价值的复合材料。

Claims (5)

1.一种纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法，其特征是：
(1)对TiNi基形状记忆合金箔与增强金属箔进行表面酸洗；
(2)将酸洗后的TiNi基形状记忆合金和增强金属箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金箔，利用烧结工艺烧结成型；
(3)将烧结成型的TiNi基合金复合材料真空密封在不锈钢或纯Ti包套内，在室温～500℃温度下反复轧制；
(4)在200℃～600℃范围内进行退火处理，得到纳米片层相增强TiNi基复合材料板材。
2.根据权利要求1所述的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法，其特征是：所述增强金属箔为Nb、W或Ag箔。
3.根据权利要求1或2所述的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法，其特征是：所述烧结工艺为热压烧结或放电等离子烧结，烧结温度为800～1100℃，烧结压力为30～90MPa，烧结时间为0.5～4小时。
4.根据权利要求1或2所述的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法，其特征是：所述TiNi基形状记忆合金箔的原子比为含48-52％Ti、其余为Ni。
5.根据权利要求3所述的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的制备方法，其特征是：所述TiNi基形状记忆合金箔的原子比为含48-52％Ti、其余为Ni。
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