CN106591627A - 一种高强度的形状记忆合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强度的形状记忆合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度的形状记忆合金，该合金由钛、镍、铜元素构成。按原子百分比包括如下组分：钛原子百分比含量为60‑64%、镍的原子百分比含量为14‑28%；铜的原子百分比含量为12‑22%。然后采用磁控溅射的方法制备薄膜合金，再经过低温多次轧制、热处理而成。该合金内包含纳米孪晶Ti2Cu与Ti2Ni相，强度高。

Description

一种高强度的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，具体涉及一种高强度的形状记忆合金及其制备方法和应用。
背景技术
形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的功能材料，由于其特殊的性能已获得广泛应用。中国发明专利CN101696481B提出了一种用于微驱动元件的超高恢复应力Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜的制备方法。该发明解决了现有Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜不能满足微驱动元件的超高单位体积输出功的问题。Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜由Ti、Cu和Ni组成。该发明方法如下：洗净玻璃，抽真空，通氩气，以镍、钛、铜作为阴极采用磁控共溅射法进行沉积，再真空热处理后随炉冷却；即得到Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜。该发明方法制备合金薄膜的晶粒尺寸为50～500nm，厚度为3～10μm，Ti-Ni-Cu形状记忆合金薄膜具有超高恢复应力(高于1GPa)、快响应速度的优点；可满足微驱动元件的小尺寸、超高驱动力的要求。
中国发明专利CN104060126A提出了一种镍钛系形状记忆合金，所述的镍钛系形状记忆合金由镍、钛、铜、铬、锰以及镉六种金属成分组合而成，所述的镍钛系形状记忆合金中各成分所占重量百分比分别为：所述的镍占60.3%-64.9%，所述的钛占21.4%-22.5%，所述的铜占7.4%-8.3%，所述的铬占2.8%-3.7%，所述的锰占1.9%-2.7%，所述的镉占1.6%-2.5%。由镍、钛、铜、铬、锰以及镉等六种金属元素组成，具有记忆恢复原形、无磁性、耐磨耐蚀、耐高温、无毒性的特点。
中国发明专利CN104313395A提出了一种弹性合金，所述合金的各组成按原子百分含量为镍45-55at％，铁0-10at％，钛25-35at％，钴5-15at％，铜1-3at％，钨3-5at％及氮1-3at％。该技术方案的合金材料不仅具有窄滞后超弹性能又能够保持形状记忆效应的合金材料。
不过，当前的形状记忆合金的屈服强度一般在700MPa以下，制造更高强度的合金、拓展其应用领域，对于充分发挥其形状记忆效应具备重要意义。
发明内容
发明目的：为了提高形状记忆合金的强度，本发明所要解决的技术问题是提供了一种高强度的形状记忆合金。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种高强度的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高强度的形状记忆合金的应用。
常规的形状记忆合金材料的屈服强度一般在700MPa以下，而本发明采用磁控溅射的方法，并采用低温轧制的手段，制备含有独特成分与显微结构的合金薄膜材料，能够将该合金的屈服强度提高到900MPa以上。该合金薄膜的厚度为100-500微米，其显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni纳米孪晶相，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：一种高强度的形状记忆合金，该合金由钛、镍、铜元素构成。
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60-64%、镍的原子百分比含量为14-28%；铜的原子百分比含量为12-22%。
作为优选，上述高强度的形状记忆合金的厚度为100-500微米。
作为优选，上述高强度的形状记忆合金的显微结构中包含Ti2Cu与Ti2Ni纳米孪晶相。
作为优选，上述高强度的形状记忆合金中的Ti2Cu与Ti2Ni相的尺寸小于500纳米。
上述的高强度的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100-500微米得到薄膜状的形状记忆合金；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.1－1.3 ;设定每次轧制形变量为1-5%；设定低速辊的速度为0.1-0.3米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制3-5次，轧制过程中，保持环境温度为-40至-20摄氏度；
5）在200-300摄氏度进行低温热处理0.5-1小时。
上述形状记忆合金可以应用于工业控制、医疗器械等方面。
本发明具有以下优点：采用本发明的方法可以制备高强度的形状记忆合金，屈服强度能高达900MPa以上，大大高于当前合金。这是由于本发明采用了磁控溅射、低温轧制的方法，制备了大量纳米孪晶，强化了金属。同时，纳米乱晶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。而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。因此，本发明的金属同时具备疲劳性能优异的特点。
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：高强度的形状记忆合金的制备
1、按照钛：镍：铜的原子比为60：28：12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100微米；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.1;设定每次轧制形变量为1-5%；设定低速辊的速度为0.2米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制4次，轧制过程中，保持环境温度为-40摄氏度；
5）在200摄氏度进行低温热处理0.5小时；
进行拉伸测试，样品的屈服强度为976MPa。
实施例2：高强度的形状记忆合金的制备
1.按照钛：镍：铜的原子比为60：22：18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280微米；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.3 ;设定每次轧制形变量为4%；设定低速辊的速度为0.3米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制3次，轧制过程中，保持环境温度为-20摄氏度；
5）在200摄氏度进行低温热处理0.5小时；
进行拉伸测试，样品的屈服强度为1020MPa。
实施例3：高强度的形状记忆合金的制备
1.按照钛：镍：铜的原子比为62：24：14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500微米；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.2;设定每次轧制形变量为5%；设定低速辊的速度为0.2米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制3次，轧制过程中，保持环境温度为-40摄氏度；
5）在200摄氏度进行低温热处理1小时；
进行拉伸测试，样品的屈服强度为980MPa。
实施例4高强度的形状记忆合金的制备
1.按照钛：镍：铜的原子比为64：21：15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350微米；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.1;设定每次轧制形变量为1%；设定低速辊的速度为0.1米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制3次，轧制过程中，保持环境温度为-30摄氏度；
5）在250摄氏度进行低温热处理0.8小时。
进行拉伸测试，样品的屈服强度为920MPa。
实施例5高强度的形状记忆合金的制备
1.按照钛：镍：铜的原子比为64：14：22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450微米；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.1;设定每次轧制形变量为3%；设定低速辊的速度为0.3米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制5次，轧制过程中，保持环境温度为-40摄氏度；
5）在300摄氏度进行低温热处理0.5小时。
进行拉伸测试，样品的屈服强度为958MPa。
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：进行拉伸测试，样品的屈服强度为630MPa。
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)

1.一种高强度的形状记忆合金，其特征在于，该合金由钛、镍、铜元素构成：钛原子百分比含量为60-64%，镍的原子百分比含量为14-28%；铜的原子百分比含量为12-22%。
2.根据权利要求1所述的一种高强度的形状记忆合金，其特征在于，所述高强度的形状记忆合金的厚度为100-500微米。
3.根据权利要求1所述的一种高强度的形状记忆合金，其特征在于，所述高强度的形状记忆合金的显微结构中包含孪晶相。
4.根据权利要求3所述的一种高强度的形状记忆合金，其特征在于，所述高强度的形状记忆合金中的Ti2Ni相的尺寸小于500纳米。
5.根据权利要求3所述的一种高强度的形状记忆合金，其特征在于，所述高强度的形状记忆合金中的Ti2Cu相的尺寸小于500纳米。
6.权利要求1~5任一项所述的高强度的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100-500微米得到薄膜状的形状记忆合金；
3）启动多功能轧机系统，设定上下轧辊的速比,速比为 1.1－1.3 ;设定每次轧制形变量为1-5%；设定低速辊的速度为0.1-0.3米／秒；启动主传动电机,开始轧制过程；
4） 一次轧制过后，重复进行轧制3-5次；
5）在200-300摄氏度进行低温热处理0.5-1小时。
7.根据权利要求6所述的高强度的形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述轧制环境温度为-40至-20摄氏度。
8.权利要求1~5任一项所述的高强度的形状记忆合金在工业控制、医疗器械方面的应用。
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