CN106011588A - 一种含铌形状记忆合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含铌形状记忆合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含铌形状记忆合金，该合金由钛、镍、铜、铌、钇元素构成；按原子百分比包括如下组分：钛原子百分比含量为45‑52%、镍的原子百分比含量为40‑44%；铜的原子百分比含量为5‑10%；铌的原子比含量为1‑2%；余量为钇。然后采用磁控溅射的方法制备薄膜合金，再经过热处理而成。该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，循环寿命高。

Description

一种含铌形状记忆合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及形状记忆合金材料领域，具体涉及一种含铌形状记忆合金及其制备方法和应用。
背景技术
形状记忆合金因其具有较高的可恢复性形变，已成为一种重要的功能材料。中国发明专利CN103741003A涉及一种新型高温磁性形状记忆合金及其制备方法，具体是指新型高温磁性形状记忆合金及其制备方法。该发明合金制备步骤为：1)按照摩尔份数比取42.5份的Ga、29份的Mn、28.5份Ni和42.5份的Ga、29份的Mn、27.5份Ni和1份Co，放入真空非自耗电极电弧炉中，同时由于Mn元素的饱和蒸汽压较低，Ga的熔点较低，为了避免合金出现偏析现象，在配料的过程补充3％-5％的Mn元素、1.5％-3％Ga元素，放置顺序从上到下依次为Ni、Co、Ga、Mn、Ni；2)在惰性气体保护、1400～1700℃的条件下电弧熔炼8-14分钟，惰性气体为氩气；3)用丙酮清洗熔炼后的金属块体；4)放入真空度为10-1PaPa的石英管中在600℃的条件下保温48小时后再降温到400℃保温24小时；5)淬入水中，得到新型高温磁性形状记忆合金。
中国发明专利CN103509988A提出一种具有超弹性的多晶Fe-Ni-Co-Al-Nb-B形状记忆合金，其特征在于该合金具有以下的成分及原子百分含量：Fe30～50％、Ni28～40％、Co10～30％、Al8～15％、Nb1～4％、B0.1～3％。该合金的制备工艺主要包括采用熔炼工艺、固溶处理工艺和时效处理工艺。所述的熔炼工艺是将配料采用真空非自耗电弧炉在氩气保护下进行熔炼，熔炼电流密度为220～280A/cm2，将熔炼合金翻身熔炼3～5次。所述的固溶处理工艺为，在温度1000～1300℃下固溶处理20～50min，水淬后冷轧成薄板，然后将薄板材料在温度为1150～1350℃下固溶处理20～50min，随后快速冷却，冷却速度大于138℃/s。所述的时效处理工艺的温度在550～750℃，时效处理时间45～70h。
中国发明专利CN105296800A提供了一种TiNiCuNb记忆合金及其制备方法。该TiNiCuNb记忆合金的化学式为(Ti50Ni50-xCux)100-yNby，其中，x＝1-15，y＝3-20，Ti、Ni、Cu和Nb四种元素的原子百分数之和为100％。该发明还提供了上述TiNiCuNb记忆合金的制备方法。该发明提供的TiNiCuNb记忆合金在经过塑性加工(比如冷拔获得丝材)、高温退火后经过不同温度时效可以获得相变温度范围可调的较小温度滞后；而当冷变形加工后进行的低温退火则使其成为纳米线Nb/TiNiCu基体原位复合材料，复合材料具有大线弹性应变、低弹性模量的特点。其制备方法包括以下步骤：按TiNiCuNb记忆合金的成分配比选取纯度在99wt.％以上的单质钛、镍、铜、铌；将单质钛、镍、铜、铌放入真空度高于10-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中，熔炼成TiNiCuNb记忆合金。
发明内容
发明目的：为了提高形状记忆合金的循环寿命，本发明所要解决的技术问题是提供了一种含铌形状记忆合金。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种含铌形状记忆合金的制备方法。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种含铌形状记忆合金的应用。
常规的合金材料变形几千次就会断裂，而本发明采用磁控溅射的方法，制备含有独特成分与显微结构的合金薄膜材料，能够将该合金的循环次数提高到几千万次以上。该合金薄膜的厚度为2-50微米，其显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni相，它们为纳米晶，尺寸小于500纳米。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种含铌形状记忆合金，该合金由钛、镍、铜、铌、钇元素构成。
作为优选，按原子百分比包括如下组分：钛原子百分比含量为45-52％、镍的原子百分比含量为40-44％；铜的原子百分比含量为5-10％；铌的原子比含量为1-2％；余量为钇。
作为优选，所述含铌形状记忆合金的厚度为2-50微米。
作为优选，所述含铌形状记忆合金的显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni相。
作为优选，所述含铌形状记忆合金中的Ti2Cu与Ti2Ni相的尺寸小于500纳米。
上述的含铌形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：
1)按照上述的合金材料制备靶材；
2)采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比60-70％，开始进行溅射沉积，控制厚度为2-50微米得到薄膜状的形状记忆合金；
3)对步骤2)得到的形状记忆合金进行退火热处理得到含铌形状记忆合金。
上述退火热处理温度为650-720摄氏度。
上述的含铌形状记忆合金在工业控制、医疗器械等方面的应用。
有益效果：本发明具有以下优点：采用本发明的方法可以制备一种高性能形状记忆合金，循环次数高达几千万次以上，远高于当前合金的几千次。这是因为目前大多数形状记忆合金在两种晶格状态下转变时，两相之间的转换不完全，在金属高温相(奥氏体)中会出现越来越多的低温相(马氏体)晶体结构，几千次就会出现裂纹，最终会导致合金断裂。在本发明中，会形成的纳米相Ti2Cu相与Ti2Ni相，其尺寸在500纳米以下。当Ti2Cu相在B2与B19两种结构中转换时，它们之间的转换是完全的，不存在残留，因此能够大大提高循环寿命。此外，本合金中还会产生稀土相强化，能够提高合金的强度性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作更进一步的举例说明。
实施例1：
1、按照钛：镍：铜：铌：钇的原子比为49：44：5：1：1的比例制备靶材；
2、采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比60％，开始进行溅射沉积，控制厚度为12微米；
3、对以上合金进行退火热处理，温度为650摄氏度。
进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未断裂。
该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸为30-100纳米。
实施例2：
1.按照钛：镍：铜：铌：钇的原子比为52：40：6：1.5：0.5的比例制备靶材；
2.采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-4Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比60％，开始进行溅射沉积，控制厚度为32微米；
3.对以上合金进行退火热处理，温度为680摄氏度。
进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未断裂。
该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸为50-200纳米。
实施例3：
1.按照钛：镍：铜：铌：钇的原子比为45：42：10：2：1的比例制备靶材；
2.采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比70％，开始进行溅射沉积，控制厚度为47微米；
3.对以上合金进行退火热处理，温度为720摄氏度。
进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未断裂。
该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸为50-250纳米。
实施例4
1.按照钛：镍：铜：铌：钇的原子比为48.5：44：5：1.5：1的比例制备靶材；
2.采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比65％，开始进行溅射沉积，控制厚度为2微米；
3.对以上合金进行退火热处理，温度为685摄氏度。
进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未断裂。
该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸为30-150纳米。
实施例5
1.按照钛：镍：铜：铌：钇的原子比为47：41：7.5：2：2.5的比例制备靶材；
2.采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比67％，开始进行溅射沉积，控制厚度为50微米；
3.对以上合金进行退火热处理，温度为690摄氏度。
进行循环寿命测试，样品进行2千万次测试后，仍未断裂。
该合金内包含纳米Ti2Cu与Ti2Ni相，其尺寸为60-200纳米。
对比例1
1.按照1at％锰、0.4at％钕、51at％钛、44at％镍、3.6at％铁的比例配置原料；
2.将原料混合均匀，放入非自耗真空电弧炉内，抽真空到5*10-4Pa,充入高纯氩气，然后熔炼5次；
3.在真空热处理炉中进行热处理:在500度进行时效2小时，然后在450度时效5小时。
4.冷却，由此得到形状记忆合金。
检测结果：进行循环寿命测试，样品进行8636次测试断裂。
本发明实施例1～5制备得到的含铌形状记忆合金合金和对比例1的普通合金进行1000次形变后的记忆回复率
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含铌形状记忆合金，其特征在于，该合金由钛、镍、铜、铌、钇元素构成。
2.根据权利要求1所述的一种含铌形状记忆合金，其特征在于，按原子百分比包括如下组分：钛原子百分比含量为45-52%、镍的原子百分比含量为40-44%；铜的原子百分比含量为5-10%；铌的原子比含量为1-2%；余量为钇。
3.根据权利要求1所述的一种含铌形状记忆合金，其特征在于，所述含铌形状记忆合金的厚度为2-50微米。
4.根据权利要求1所述的一种含铌形状记忆合金，其特征在于，所述含铌形状记忆合金的显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni相。
5.根据权利要求4所述的一种含铌形状记忆合金，其特征在于，所述含铌形状记忆合金中的Ti2Cu与Ti2Ni相的尺寸小于500纳米。
6.权利要求1~5任一项所述的含铌形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照上述的合金材料制备靶材；
2）采用磁控溅射制备薄膜状的形状记忆合金，抽真空至10-3Pa以上，充入氩气，然后再抽真空至10-3Pa，调整工作电压为500V，溅射占空比60-70%，开始进行溅射沉积，控制厚度为2-50微米得到薄膜状的形状记忆合金；
3）对步骤2）得到的薄膜状的形状记忆合金进行退火热处理得到含铌形状记忆合金。
7.根据权利要求6所述的含铌形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述退火热处理温度为650-720摄氏度。
8.权利要求1~5任一项所述的含铌形状记忆合金在工业控制、医疗器械方面的应用。
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