CN105039785A

CN105039785A - 一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带及其制备方法

Info

Publication number: CN105039785A
Application number: CN201510397320.XA
Authority: CN
Inventors: 贺志荣; 刘琳; 周超; 吴佩泽; 邹启明
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明公开了一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带及其制备方法。按原子百分含量计，该形状记忆合金薄带的化学组成为Ni＝45～49.8％，余量为Ti。采用单辊甩带法制备，即取适量商用纯Ti和纯Ni，放入真空电弧熔炼炉中，在氩气保护下，反复熔炼多次得到合金铸块；将合金铸块放入下端带孔的石英管内；并置于熔炼炉甩带室的感应加热线圈中，在氩气保护下，加热至液态，合金液在自重及氩气压力作用下，从石英管下端的孔中喷射在高速旋转的铜辊表面，形成合金薄带。本发明制备工艺简单，所得富钛Ti-Ni合金薄带的形状记忆效应良好。

Description

一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带及其制备方法

技术领域

本发明属于形状记忆合金领域，特别涉及一种形状记忆合金材料及其制备方法，

背景技术

小(微)型化是装备制造的重要发展方向之一。研制微机电系统急需微执行器材料，并要求该材料具有较大的单位体积输出功和输出应变。目前，微执行器的备选材料包括Ti-Ni形状记忆薄带(膜)、压电材料和磁致伸缩材料等。与后两者相比，Ti-Ni形状记忆合金薄带(膜)集感知和驱动功能于一体，且具有单位体积输出功和输出位移大、对信号的响应速率高、电阻率大、驱动电压低、方便控制等优势，开发价值更大一些。

Ti-Ni形状记忆合金薄带可用单辊甩带法、平面流铸法和双辊法等熔体快淬法制备，其中单辊甩带法最为常用。其原理是，在真空状态下将熔融合金在一定压力下注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织薄带的方法。该方法冷速极高，所得薄带的晶粒尺寸可达纳米级或非晶态，得到与一般非平衡冷却合金完全不同的性能。

依据合金成分不同，Ti-Ni形状记忆合金可分为富钛、近等原子比和富镍Ti-Ni形状记忆合金。目前对近等原子比和富镍Ti-Ni形状记忆合金研究较充分，对富钛Ti-Ni形状记忆合金研究尚不多，原因是用传统熔炼、加工成形方法制备的富钛Ti-Ni合金的形状记忆效应较差。

我们前期研究发现，在富钛、近等原子比和富镍Ti-Ni形状记忆合金中，富钛Ti-Ni合金的相变温度最高(80-110℃)，适合制作在较高温度下工作的执行器。我们设想，若改变传统制备方法，用熔体快淬法将富钛Ti-Ni合金制成薄带后，由于合金厚度变薄、组织细化，有可能会改善其形状记忆性能，使之成为在较高温度下工作的微执行器的理想材料。目前对该技术，尚无研究报道。因此，用单辊甩带法研制Ti-xNi(x＝45～49.8％原子百分数)形状记忆合金薄带，对于开发微执行器用形状记忆合金薄带具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种富钛形状记忆合金材料及其制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带，按原子百分比，包括45％～49.8％的Ni，余量为Ti。

一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带的制备方法，包括下述步骤：

(1)按原子百分比：45％～49.8％的Ni，余量为Ti，称量纯Ti和纯Ni；

(2)将称好的两组份熔炼成纽扣状母合金，具体工艺如下：

a、将称好的两组份放入坩埚内并置于真空电弧炉熔炼室中，封闭熔炼室，抽真空；

b、达到真空度后，向熔炼室充入氩气，在氩气保护下，利用钨极氩弧熔炼法将两组份融化，然后搅拌，使熔融态的合金液充分混合，60s后停止搅拌，关闭电弧；

c、待铸锭冷却后，利用料勺将铸块底面翻至朝上再进行至少3次如a、b步骤的熔炼；

(3)将熔炼好的纽扣状母合金制备成合金薄带，具体工艺如下：

a、将熔炼好的合金铸块放于底端带孔的石英管内，并与石英管一起置于感应加热炉甩带室的的铜制线圈内，调节石英管上下位置，使之下端与铜辊的距离为2～5mm，封闭甩带室，进行抽真空；

b、达到真空度后，打开氩气进入阀，往甩带室中充入氩气，在氩气保护下，利用高频感应加热使合金铸块熔化，合金熔液在氩气压力和自重作用下，从石英管中通过底端孔喷射在转动的铜辊上，形成合金薄带；

(4)将制备好的合金薄带进行300～500℃退火热处理，时间为5～10min，冷却方式为空冷。

上述方法步骤(2)中，所述a的抽真空，真空度为9.0×10^-4Pa。步骤(3)中，所述a的抽真空，真空度为8.0×10^-4Pa。

往熔炼室或甩带室中充入氩气的压强为0.05MP。

本发明利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、示差扫描热分析仪(DSC)等仪器和弯曲变形实验，分析、测试了不同成分配比的Ti-Ni合金薄带的相组成、显微组织、相变行为和形状记忆效应，结果显示，本发明制备工艺简单，易于操作，得到的合金薄带具有优异的形状记忆效应，适合推广。

附图说明

图1是实施例1中Ti-45Ni合金薄带450℃10min退火态的XRD衍射谱图。结果表明，合金薄带的基本组成相为单斜结构的B19ˊ(马氏体)和CsCl结构的B2(母相)。

图2是实施例2中Ti-46Ni合金薄带450℃10min退火态的XRD衍射谱图。结果表明，合金薄带的基本组成相为单斜结构的B19ˊ(马氏体)和CsCl结构的B2(母相)。

图3是实施例3中Ti-48Ni合金薄带450℃10min退火态的XRD衍射谱图。结果表明，合金薄带的基本组成相为单斜结构的B19ˊ(马氏体)和CsCl结构的B2(母相)。

图4是实施例4中Ti-49Ni合金薄带450℃10min退火态的XRD衍射谱图。结果表明，合金薄带的基本组成相为单斜结构的B19ˊ(马氏体)和CsCl结构的B2(母相)。

图5是实施例5中Ti-49.8Ni合金薄带450℃10min退火态的XRD衍射谱图。结果表明，合金薄带的基本组成相为单斜结构的B19ˊ(马氏体)和CsCl结构的B2(母相)。

图6是实施例1中Ti-45Ni合金薄带450℃10min退火态的SEM显微组织照片，结果表明，合金薄带晶粒细小、组织致密。

图7是实施例2中Ti-46Ni合金薄带500℃10min退火态的SEM显微组织照片，结果表明，合金薄带晶粒细小、组织致密。

图8是实施例3中Ti-48Ni合金薄带500℃4min退火态的SEM显微组织照片，结果表明，合金薄带晶粒细小、组织致密。

图9是实施例4中Ti-49Ni合金薄带铸态的SEM显微组织照片，结果表明，合金薄带晶粒细小、组织致密。

图10是实施例5中Ti-49.8Ni合金薄带铸态的SEM显微组织照片，结果表明，合金薄带晶粒细小、组织致密。

图11是实施例1中Ti-45Ni合金薄带500℃4min退火态的DSC曲线。其中，R峰为母相B2→R相变峰，M峰为R→M(马氏体)相变峰，Mr峰为M→B2相变峰，Rr峰为R→B2相变峰。结果表明，500℃4min退火态Ti-45Ni合金薄带冷却时发生B2→R→M两阶段相变，加热时发生M→R→B2两阶段相变。马氏体逆相变结束温度约为80℃。

图12是实施例2中Ti-46Ni合金薄带500℃4min退火态的DSC曲线。其中，M、Mr峰的意义同图11。结果表明，500℃4min退火态Ti-46Ni合金薄带冷却/加热时发生B2→M/M→B2一阶段相变。马氏体逆相变结束温度约为90℃。

图13是实施例3中Ti-48Ni合金薄带500℃4min退火态的DSC曲线。其中，M、Mr峰的意义同图11。结果表明，500℃4min退火态Ti-48Ni合金薄带冷却/加热时发生B2→M/M→B2一阶段相变。马氏体逆相变结束温度约为100℃。

图14是实施例4中Ti-49Ni合金薄带500℃4min退火态的DSC曲线。其中，M、R、Mr峰的意义同图11。结果表明，500℃4min退火态Ti-49、8Ni合金薄带冷却/加热时发生B2→M/M→B2一阶段相变。马氏体逆相变结束温度约为110℃。

图15是实施例5中Ti-49.8Ni合金薄带500℃4min退火态的DSC曲线。其中，M、Mr峰的意义同图11。结果表明，500℃4min退火态Ti-48Ni合金薄带冷却时发生B2→R→M两阶段相变，加热时发生M→B2一阶段相变。马氏体逆相变结束温度约为50℃。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

(1)按表1配比，称量纯Ti和纯Ni，

(2)将称好的两组份熔炼成纽扣状母合金，具体工艺如下：

a、将称好的两组份放入真空电弧炉熔炼室的铜制坩埚内，封闭熔炼室，进行抽真空，真空度为9.0×10^-4Pa。

b、抽真空结束后，打开氩气进入阀，向熔炼室充入压强为0.05MP的氩气，在氩气保护下，利用钨极氩弧熔炼法将两组份融化，待各组份处于熔融状态时，开始搅拌，使熔融态的合金液在铜制坩埚内快速旋转充分混合，60s后停止搅拌，关闭电弧，待铸锭冷却后，利用料勺将铸块底面翻至朝上再行多次熔炼，具体熔炼次数参见表1。

a、将熔炼好的合金铸块放于底端带孔的石英管内，并将盛有合金铸块的石英管置于感应加热炉甩带室的的铜制线圈内，调节石英管上下位置，使之下端与铜辊的距离如表1所列，封闭甩带室，进行抽真空，真空度为8.0×10^-4Pa。

b、抽真空结束后，打开氩气进入阀，往甩带室中充入压强为0.05MP的氩气，在氩气保护下，利用高频感应加热对合金进行加热，待合金熔化后，关闭氩气进入阀，合金熔液在氩气压力和自重作用下，从石英管中通过底端孔喷射在转动的铜辊上，形成合金薄带。

(4)将制备好的合金薄带进行退火热处理，温度和时间参见表1。

表1合金组成及部分工艺参数

配方(原子百分比％)	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	备注
							纯Ti	55	54	52	51	50.2
纯Ni	45	46	48	49	49.8
							铸块熔炼数	5	3	5	4	5
石英管与铜辊距离mm	3	5	3	4	2

退火温度℃	350	500	450	300	400
							退火时间min	7	5	8	10	6

通过上述步骤得到的实施例1～实施例5的形状记忆合金薄带，其相组成、显微组织、相变行为分别可参考图1～5、图6～10、图11～15。其中，实施例1、实施例2合金薄带铸态的的形状记忆效应，在室温下变形，在热水中(约80℃)恢复。实施例3合金薄带铸态的形状记忆效应，在室温下变形，在炉内(大于120℃)恢复。实施例4合金薄带铸态的形状记忆效应，在室温下变形，在热水中(约90℃)恢复。实施例5合金薄带铸态的形状记忆效应，在室温下变形，在热水中(约70℃)恢复。通过综合评定，得出Ti-xNi(x＝45～49.8％)合金薄带的组织性能最好。

Claims

1.一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带，其特征在于，按原子百分比，包括45％～49.8％的Ni，余量为Ti。

2.一种富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(2)将称好的两组份熔炼成纽扣状母合金，具体工艺如下：

3.如权利要求2所述的富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述a的抽真空，真空度为9.0×10^-4Pa。

4.如权利要求2所述的富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述a的抽真空，真空度为8.0×10^-4Pa。

5.如权利要求2所述的富钛Ti-Ni形状记忆合金薄带的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，往熔炼室或甩带室中充入氩气的压强为0.05MP。