CN106282812A

CN106282812A - 一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用

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Publication number: CN106282812A
Application number: CN201510296526.3A
Authority: CN
Inventors: 金明江; 金学军; 左舜贵; 卢现稳
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: CN106282812B

Abstract

本发明提供一种形状记忆合金材料，由以下质量百分比的元素组成：镍：25-33%；钴：8-20%；钛：3-6%；铌：0.2-1.5%；余量为铁。本发明进一步提供了该种形状记忆合金材料的制备方法。此外，本发明还进一步提供了该种形状记忆合金材料制备管接头的方法。本发明的一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用，能够制备具有高强度、宽使用温度范围、抗腐蚀能力好、高回复率和回复力的析出强化型铁基形状记忆合金管接头。该种析出强化型铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头性能优异，安装方便、使用安全可靠，在航天、核电、石油化工等领域应用潜力巨大。

Description

一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用

技术领域

本发明属于合金材料领域，涉及一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用，具体涉及一种析出强化型铁基形状记忆合金材料成分和制备方法以及析出强化型铁基形状记忆合金管接头的加工和热处理工艺。

背景技术

管接头是管道与管道之间的连接工具，是元件和管道之间可以拆装的连接点。常规的管接头的连接形式主要是承插焊或螺纹连接。管接头部位通常是整体管道系统较为薄弱的部位，由于结构及加工工艺复杂，常常会出现螺纹密封不佳、焊缝腐蚀等问题，此外在特殊的场合安装也不太便利，对整体管路的安全运行和施工操作带来诸多不便。

形状记忆合金是最近几十年发展的一种力学功能材料，具有形状记忆效应和超弹性，被用于开发成各种工业产品，其中一项重要的应用便是形状记忆合金管接头。其最大的特色便是安装方便、使用安全可靠。目前，形状记忆合金管接头的应用已经有了很多例子，比如美国军机F-14，F-15战斗机上应用Ni-Ti基SMA管接头超过3万件，未出现一起漏油事件。形状记忆合金管接头还应用在如航空液压管路、深海石油、天然气管道等场合。形状记忆合金种类众多，而用于管接头应用的形状记忆合金必须具备几个条件：1)相变温度的控制：马氏体相变热滞(马氏体相变与逆转变温度差)要大，特别是逆相变温度要大于使用温度(室温)；2)形状记忆效应回复力要大，提高管口结合力；3)耐腐蚀性能好，在特殊环境下能够保持良好的稳定性。

目前商业开发的形状记忆合金管接头主要有三类：TiNiNb，CuZnAl和FeMnSi系形状记忆合金。TiNiNb形状记忆合金管接头的可回复应变与回复力大，抗腐蚀能力强，强度高，存储、运输方便，在战斗机油路、核电管道等方面用途较广，但是加工成本极高，价格昂贵。CuZnAl管接头的成本较低，但是强度低，可回复应变低，回复力小，抗疲劳性能和抗腐蚀性能差。FeMnSi管接头原材料便宜，机械性能好，加工容易，相变滞后宽，但是抗腐蚀性能差，可回复应变与回复力都较小。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用，通过一种形状记忆合金材料能够制备出具有高强度、宽使用温度范围、抗腐蚀能力好、高回复率和回复力的析出强化型铁基形状记忆合金管接头。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种形状记忆合金材料，由以下质量百分比的元素组成：

镍(Ni)：25-33％；钴(Co)：8-20％；钛(Ti)：3-6％；铌(Nb)：0.2-1.5％；余量为铁(Fe)。

优选地，所述一种形状记忆合金材料，由以下质量百分比的元素组成：

镍(Ni)：25-33％；钴(Co)：8-20％；钛(Ti)：3-6％；铌(Nb)：0.2-1.5％；铁(Fe)：39.5-63.8％。

优选地，所述形状记忆合金材料为析出强化型铁基形状记忆合金材料。所述析出强化是强化方式的一种，通过时效热处理，使合金基体某些元素局部偏聚、有序化，从而出现沉淀颗粒，比如说本合金中会析出纳米尺度的Ni₃(TiNb)颗粒。这种颗粒析出相的性质与金属不同，具有金属间化合物性质，与基体间的模量差异很大，能够大幅度的提高合金的强度、硬度等力学性能指标。

本发明第二方面提供一种形状记忆合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将合金材料中各元素组分按配比加入后，采用真空感应熔炼技术进行熔炼；

优选地，所述铌元素是通过加入铌铁来调配。所述铌铁是指铁妮合金。由于单质铌熔点过高，不宜用于熔炼，因此必须用铁铌作为中间合金进行熔炼。目前，市场上有多种牌号的铌铁，其中包含不同的铌含量，比如铁铌50，含铌量为50％左右，因此需要根据加入的铌铁中实际含铌量进行换算，获得所需加入的铌铁含量。

优选地，所述真空感应熔炼技术是指一种在真空条件下利用电磁感应加热原理来熔炼金属的金属工艺制程。其在电磁感应过程中会产生涡电流，使金属熔化。

优选地，所述熔炼在真空热处理炉中进行。

优选地，所述熔炼前需要进行抽真空或加入保护气体。

更优选地，所述抽真空时，真空度大于等于8×10^-3Pa。

更优选地，所述保护气体为惰性气体。所述惰性气体选自高纯氩气、高纯氮气中的任意一种。

优选地，所述熔炼温度为1500±100℃。

2)合金熔化后，搅拌均匀，浇注成型；

优选地，所述搅拌均匀是通过电磁搅拌进行均匀化。

3)将步骤2)中获得的成型铸件块体进行热轧处理，然后进行固溶化处理并淬火，即得

形状记忆合金材料。

优选地，所述热轧处理的温度为1000±100℃。所述热轧处理能够去除铸造缺陷。

优选地，所述固溶化处理的温度为1100±50℃。

优选地，所述淬火采用水淬方式进行。

本发明第三方面提供一种形状记忆合金材料在管接头上的应用。

本发明第四方面提供一种形状记忆合金管接头的制备方法，包括以下步骤：

A)将制备获得的形状记忆合金材料进行冷拉拔处理，得到管材；

所述冷拉拔处理是工业中较为常见的管材加工工艺。由于本发明中所述铁基形状记忆合金在固溶态下变形能力强，具有非常良好的冷加工性能，因此适合使用管材冷拉拔工艺成型。

所述管材的直径可以根据使用要求设计确定，但是需要预留一定的尺寸余量。

B)再进行退火处理后，淬火至室温；

优选地，所述退火处理的条件为：温度：1100±50℃；时间：0.5～2小时。

优选地，所述淬火采用水淬方式进行。

C)最后进行时效热处理，即获得所需形状记忆合金管接头。

优选地，所述时效热处理的条件为：温度：550～750℃；时间：0.5～24小时。

优选地，所述时效热处理后要进行淬火。所述淬火采用水淬方式进行。

所述时效热处理是指通过时效温度和时间控制析出相的状态，优化铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的相变温度、回复力和强度性能。本发明中通过原位电阻法研究了铁镍钴钛铌合金的析出动力学，发现当时效温度为550～750度之间时，合金发生析出强化行为，时效温度越低，则需要的时效时间越长，时效时间在0.5小时到24小时不等，在合适的时效时间内，合金的强度和相变温度范围可以调整到最佳状态。

如上所述，本发明的一种形状记忆合金材料及其在管接头上的应用，通过制备一种形状记忆合金材料以及由该种形状记忆合金材料加工而成的形状记忆合金管接头，具有高强度、宽使用温度范围、抗腐蚀能力好、高回复率和回复力。该种析出强化型铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头，通过热处理调控析出相状态，可以在较大温度范围内控制形状合金的马氏体相变温度和热滞，随着时效时间的延长，马氏体相变温度从-200℃升高到室温以上，相变热滞从300℃降低到最低的20℃左右，然后又升高至200℃左右。同时，该种形状记忆合金管接头具有较高的强度，其强度可达到约1800MPa。此外，其回复应变达到4％～5％之间，同时回复力达到700MPa～1200MPa之间，显著高于目前商用的3款形状记忆合金管接头，加工性能优异。而且，合金中含有相当含量的镍和钛，因此抗腐蚀能力也十分突出。可见，该种析出强化型铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头性能优异，并具有安装方便、使用安全可靠、密封性能良好的特点，在航天、核电、石油化工等领域应用潜力巨大，非常值得推广应用。

附图说明

图1显示为本发明的形状记忆合金管接头加工工艺过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以下实施例使用的试剂及装置如下：

1、试剂

镍、钴、钛、铁、铌酸(纯度99.9％、购自北京翠柏林有色金属技术开发公司)

2、装置

CX-RL1501型真空热处理炉、CX-ZK1600型真空热处理炉(上海晨曦热处理设备有限公司)；DC-50型管材冷拉拔加工设备(深圳东辰兴业机械有限公司)

实施例1

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：30.5％；钴：9.3％；钛：3.7％；铌：0.5％；其余为铁；具体数据见表1。

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的制备工艺为：将铁、镍、钴、钛和铌铁五种配料按照配方要求进行配制，并通过真空感应熔炼技术进行熔炼。熔炼之前先抽真空至3×10^-3Pa。合金的熔炼温度为1500℃左右，合金熔化后通过电磁搅拌均匀化，然后浇注到石墨模具中成型。获得的铸件块体进行在1000℃进行热轧处理，然后在1100℃进行固溶化处理并淬火，获得铁镍钴钛铌固溶体合金母材。

铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺为：将制备获得的铁镍钴钛铌固溶体母材合金进行冷加工拉拔处理，得到内径为19.8mm，厚度为1mm的管材。随后在1100℃进行退火处理，去除冷加工过程中的残余应力，并使晶粒长大，退火处理1小时，然后淬火至室温，管径略微收缩，通过机加工得到精密的尺寸。最后在真空热处理炉中进行时效热处理，时效温度为600℃，时效时间为10小时，合金的马氏体相变开始温度在-85℃，逆相变完成温度在60℃左右。

此时得到铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头样品，在室温下机械扩张5％，使内径达到20.8mm左右。将该形状记忆合金管接头套在两根外径20mm的金属管对接处，对管接头进行升温处理，升温至60℃以上，管接头发挥紧固作用，对两根外径20mm的金属管道实现紧密连接，密封性能良好。

实施例2

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：32.8％；钴：10.4％；钛：4.2％；铌：1.1％；其余为铁；具体数据见表1。

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的制备工艺为：将铁、镍、钴、钛和铌铁五种配料按照配方要求进行配制，并通过真空感应熔炼技术进行熔炼。熔炼之前先抽真空至3×10^-3Pa，然后充入氩气至0.6个大气压，升温开始熔炼。合金的熔炼温度为1500℃左右，合金熔化后通过电磁搅拌均匀化，然后浇注到石墨模具中成型。获得的铸件块体进行在1000℃进行热轧处理，然后在1100℃进行固溶化处理并淬火，获得铁镍钴钛铌固溶体合金母材。

铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺为：将制备工艺中获得的铁镍钴钛铌固溶体母材合金进行冷加工拉拔处理，得到内径为19.7mm，厚度为1mm的管材。随后在1100℃进行退火处理，去除冷加工过程中的残余应力，并使晶粒长大，退火处理1.5小时，然后淬火至室温，管径略微收缩，通过机加工得到精密的尺寸。最后在真空热处理炉中进行时效热处理，时效温度为650℃，时效时间为5小时，合金的马氏体相变开始温度在-60℃，逆相变完成温度在140℃左右。

此时得到铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头样品，在室温下机械扩张4.5％，使内径达到20.5mm左右。将该形状记忆合金管接头套在两根外径20mm的金属管对接处，对管接头进行升温处理，升温至140℃以上，管接头发挥紧固作用，对两根外径20mm的金属管道实现紧密连接，密封性能良好。

实施例3

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：28.3％；钴：13.9％；钛：3.2％；铌：1.3％；其余为铁；具体数据见表1。

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的制备工艺为：将铁、镍、钴、钛和铌铁五种配料按照配方要求进行配制，并通过真空感应熔炼技术进行熔炼。熔炼之前先抽真空至2×10^-3Pa，升温开始熔炼。合金的熔炼温度为1500℃左右，合金熔化后通过电磁搅拌均匀化，然后浇注到石墨模具中成型。获得的铸件块体进行在1000℃进行热轧处理，然后在1100℃进行固溶化处理并淬火，获得铁镍钴钛铌固溶体合金母材。

铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺为：将制备工艺中获得的铁镍钴钛铌固溶体母材合金进行冷加工拉拔处理，得到内径为19.8mm，厚度为1mm的管材。随后在1100℃进行退火处理，去除冷加工过程中的残余应力，并使晶粒长大，退火处理2小时，然后淬火至室温，管径略微收缩，通过机加工得到精密的尺寸。最后在真空热处理炉中进行时效热处理，时效温度为580℃，时效时间为20小时，合金的马氏体相变开始温度在-80℃，逆相变完成温度在50℃左右。

此时得到铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头样品，在室温下机械扩张4.5％，使内径达到20.7mm左右。将该形状记忆合金管接头套在两根外径20mm的金属管对接处，对管接头进行升温处理，升温至50℃以上，管接头发挥紧固作用，对两根外径20mm的金属管道实现紧密连接，密封性能良好。

实施例4

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：31.8％；钴：10.3％；钛：3.8％；铌：0.6％；其余为铁；具体数据见表1。

铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺为：将制备工艺中获得的铁镍钴钛铌固溶体母材合金进行冷加工拉拔处理，得到内径为19.7mm，厚度为1mm的管材。随后在1100℃进行退火处理，去除冷加工过程中的残余应力，并使晶粒长大，退火处理1.5小时，然后淬火至室温，管径略微收缩，通过机加工得到精密的尺寸。最后在真空热处理炉中进行时效热处理，时效温度为700℃，时效时间为2小时，合金的马氏体相变开始温度在-20℃，逆相变完成温度在150℃左右。

此时得到铁镍钴钛形状记忆合金管接头样品，在室温下机械扩张4.1％，使内径达到20.5mm左右。将该形状记忆合金管接头套在两根外径20mm的金属管对接处，对管接头进行升温处理，升温至150℃以上，管接头发挥紧固作用，对两根外径20mm的金属管道实现紧密连接，密封性能良好。

表1实施例1-4组分配方表(质量百分比)

元素名称	实施例1(％)	实施例2(％)	实施例3(％)	实施例4(％)
					镍(Ni)	30.5	32.8	28.3	31.8
钴(Co)	9.3	10.4	13.9	10.3
					钛(Ti)	3.7	4.2	3.2	3.8
铌(Nb)	0.5	1.1	1.3	0.6
					铁(Fe)	余量	余量	余量	余量

实施例5

将实施例1-4中制备的铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头进行相关性能测试，其结果如表2所示。

表2形状记忆合金管接头性能测试表

由上表2可知，本实施例1-4中制备的铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的强度和回复力都很大，超过同类产品的水平；可回复应变大，达到TiNiNb合金的水平；同时，具有宽使用温度范围，稳定性好；抗腐蚀能力强，加工性能好，便于推广。

实施例6

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：25％；钴：20％；钛：3％；铌：1.5％；其余为铁。铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的制备工艺和铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺同实施例1。其制备的铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头具有高强度、宽使用温度范围、抗腐蚀能力好、高回复率和回复力，并且安装方便、使用安全可靠、密封性能良好。

实施例7

铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的配方如下：镍：33％；钴：8％；钛：6％；铌：0.2％；其余为铁。铁镍钴钛铌形状记忆合金材料的制备工艺和铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头的制备工艺同实施例1。其制备的铁镍钴钛铌形状记忆合金管接头具有高强度、宽使用温度范围、抗腐蚀能力好、高回复率和回复力，并且安装方便、使用安全可靠、密封性能良好。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种形状记忆合金材料，由以下质量百分比的元素组成：镍：25-33％；钴：8-20％；钛：3-6％；铌：0.2-1.5％；余量为铁。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的制备方法，包括以下步骤：

2)合金熔化后，搅拌均匀，浇注成型；

3)将步骤2)中获得的成型铸件块体进行热轧处理，然后进行固溶化处理并淬火，即得形状记忆合金材料。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述铌元素是通过加入铌铁来调配。

4.根据权利要求2所述的形状记忆合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述熔炼前需要进行抽真空或加入保护气体。

5.根据权利要求2所述的形状记忆合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述熔炼温度为1400-1600℃。

6.根据权利要求2所述的形状记忆合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述热轧处理的温度为900-1100℃；所述固溶化处理的温度为1050-1150℃。

7.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料在管接头上的应用。

8.一种形状记忆合金管接头的制备方法，包括以下步骤：

A)将权利要求1所述形状记忆合金材料或权利要求2-6任一权利要求所述制备方法制备获得的形状记忆合金材料进行冷拉拔处理，得到管材；

B)再进行退火处理后，淬火至室温；

C)最后进行时效热处理，即获得所需形状记忆合金管接头。

9.根据权利要求8所述的形状记忆合金管接头的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中，所述退火处理的条件为：温度：1050-1150℃；时间：0.5-2小时。

10.根据权利要求8所述的形状记忆合金管接头的制备方法，其特征在于，所述步骤C)中，所述时效热处理的条件为：温度：550-750℃；时间：0.5-24小时。