CN106838503A - 一种钛基形状记忆合金作为室温扩孔和保存管接头的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛基形状记忆合金作为室温扩孔和保存管接头的应用，将其熔炼、锻造成棒材再运用机械加工方法制成所需的结构及形状。本发明制成的管接头在室温马氏体相状态下扩孔后，加热到200℃以上发生逆马氏体转变，变为母相，产生4％左右的形状记忆效应恢复，从而将被连接管件束缚牢固。由于合金在降温到‑100℃过程中不发生可逆马氏体相变，仍保持为母相结构，所以保证管接头在低温下(‑60℃)仍具有很高的连接强度。本发明的管接头在扩孔和保存的过程中不需要液氮环境，密度比NiTiFe和NiTiNb的管接头低，有利于连接系统的减重，并且降低了成本，提高了使用便利性。

Description

一种钛基形状记忆合金作为室温扩孔和保存管接头的应用
技术领域
本发明涉及一种钛基形状记忆合金作为室温扩孔和保存管接头的应用，用在航天、航空、制冷和能源等领域中与各管件实现连接用的新型管接头。
背景技术
目前，在航天、航空、制冷和能源等领域使用的形状记忆合金管接头均为Ni-Ti-Fe(如CN1614056A)或Ni-Ti-Nb(如CN105132749A)合金制造。为了保证这些合金制造的管接头在低温下(一般为-55℃)的使用稳定性，Ni-Ti-Fe和Ni-Ti-Nb合金的相变温度一般为-150～-60℃；Ni-Ti-Fe和Ni-Ti-Nb合金管接头在使用前都必须在低温扩孔，其典型扩孔温度分别为-196℃(液氮温度)和-65℃(液氮+乙醇温度)，而且扩孔后的Ni-Ti-Fe合金管接头需要在液氮中保存，在装配时对管接头加热升温使其产生形状记忆恢复，从而将被连接管件束缚牢固。在使用和保存过程中，这两类管接头都需要液氮环境，不但增加了成本，而且严重限制了其使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种高相变点Ti-Zr-Nb-Fe(如CN102690976A)形状记忆合金管接头，可以在室温环境下进行扩孔，并且可以在室温环境下长期保存；使用时加热到200℃，使管接头产生形状记忆恢复，从而将被连接管件束缚牢固。该管接头具有较大的紧箍力，且密度比NiTiFe和NiTiNb的管接头低，有利于连接系统的减重。
本发明采用的是一种高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，经测试，该合金制成的管接头在室温马氏体相状态下扩孔后，加热到200℃以上发生逆马氏体转变，变为母相，产生4％左右的形状记忆效应恢复，从而将被连接管件束缚牢固。由于合金在降温到-100℃过程中不发生可逆马氏体相变(5次升降温循环曲线，如图1所示)，仍保持为母相结构，所以保证管接头在低温下(-60℃)仍具有很高的连接强度。本发明的管接头在扩孔和保存的过程中不需要液氮环境，与NiTiFe和NiTiNb的管接头相比，降低了成本，提高了使用便利性。
马氏体相的屈服强度(Rp0.2)为248MPa，母相的屈服强度(Rp0.2)为500MPa，母相和马氏体相相比，屈服强度提高了近两倍，并且具有良好的抗拉强度(Rm＝720MPa)和延伸率(A35mm＝35.5％)，保证了管接头的力学性能，如图2所示。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，必须确保成分的稳定性。
本发明的Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金可采用机械加工方法制成用于连接管件的管接头。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其管接头的平整段两端设有收缩段，平整段内设有筋；或者，平整段内可以为光滑平面。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其结构可以使管道形状更稳定，管接头内设有筋。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，可在室温环境进行扩孔和各管件连接。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，可用于在航天、航空、制冷和能源等领域的各管件的连接。
所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，适用的环境温度为-196℃～500℃，使用的工作压力为5MPa～30MPa。
本发明的优点：采用了一种新型的高相变Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，合金室温为马氏体相，具备良好的记忆效应，可以在室温环境下进行扩孔，并且可以在室温环境下长期保存。使用该合金制造的形状记忆合金管接头，在室温扩孔后与各管件进行连接，当温度加热到200℃以上，变为母相，管接头将抱紧被连接的各管件，降温到室温过程中不发生马氏体相变，合金保持母相，合金屈服强度上升，可满足工程需要，避免的了低温扩孔和保存等繁琐工序。该形状记忆合金管接头的密度较传统NiTiNb和NiTiFe管接头轻，有利于连接系统的减重。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是5次升降温循环DSC曲线。
图2是合金的形状记忆效应及加热到200℃的力学性能。
图3是本发明管接头的一种外观示意图。
图4是图3剖视图。
图5是图3的另一结构的剖视图。
图6是本发明管接头的另一种外观示意图。
图7是图6的剖视图。
图中3管接头；2收缩段；3平整段；4筋。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明采用一种高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，利用形状记忆合金的记忆原理，制作成Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，代替传统的NiTiNb和NiTiFe合金管接头，使航天、航空、制冷和能源等领域的使用更加可靠，而且还可以减轻构件重量，有利于系统减重，从而带来巨大的社会和经济效益。
本发明的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，经测试，该合金制成的管接头在室温马氏体相状态下扩孔后，加热到200℃以上发生逆马氏体转变，变为母相，产生4％左右的形状记忆效应恢复，从而将被连接管件束缚牢固。由于合金在降温到-100℃过程中不发生可逆马氏体相变(如图1所示)，仍保持为母相结构，所以保证管接头在低温下(-60℃)仍具有很高的连接强度。本发明的管接头在扩孔和保存的过程中不需要液氮环境，与NiTiFe和NiTiNb的管接头相比，降低了成本，提高了使用便利性。马氏体相的屈服强度(Rp0.2)为248MPa，母相的屈服强度(Rp0.2)为500MPa，母相和马氏体相相比，屈服强度提高了近两倍，并且具有良好的抗拉强度(Rm)720MPa和延伸率(A35mm)35.5％，保证了管接头的力学性能，如图2所示。
将本发明的Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金材料制成管接头，采用常规的机械加工方法即可制造出所需的管接头零件。可在室温环境下对制得管接头进行扩孔，与需要进行连接的管件进行连接。由于Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金制成的管接头具有的记忆特性，当温度加热到200℃以上时，管接头将抱紧连接的各管路，达到紧密连接的效果和在使用中不出现漏油或漏气的问题，冷却过程不发生相变，合金保持加热后转变为母相，母相的屈服强度较高，可保证管接头具有足够的抱紧力。
机械加工方法一般是指对棒材进行车、钳、铣、刨、磨工序后制成所需的结构和形状的加工方法。在机械加工业是较为常用的手段，故在此处不进行过多的说明。
在本发明中，管接头1的结构可以是一般常规的管道形状，但为了提高管结构的连接强度在管接头1内设有筋4(如图4、图5所示)。加工成管道形状的管接头1是为了与所需连接的各管件的形状相配合。管接头1的结构也可以是由平整段3和收缩段3构成，收缩段2设在平整段3的两端。平整段3内还可以设有筋4(如图3、图4、图5所示)，收缩段2与所需连接的各管件抱紧。
实施例1
制备高相变点Ti-19.5Zr-10Nb-0.5Fe形状记忆合金管接头
(1)按配比称取纯度为99.9％的海绵钛(Ti)，99.7％的海绵锆(Zr)，99.9％的金属铌(Nb)以及少量金属铁(Fe)；
(2)将上述合金元素采用自耗真空电弧炉进行熔炼，熔炼得到Ti-19.5Zr-10Nb-0.5Fe形状记忆合金铸锭；
(3)将上述制得的铸锭采用型号为C41-150的150公斤锻锤锻造热轧成板材。
对制得的板材采用50KN SANS电子万能试验机进行力学系能及形状记忆效应的测试，拉伸应变速率为0.5mm/min；采用Q200DSC测试相变温度，板材样品取尺寸为0.5mm×0.5mm×0.5mm；
高相变点Ti-19.5Zr-10Nb-0.5Fe形状记忆合金，逆马氏体相变温度为156℃至176℃，形 状记忆效应(SME)为4.1％，并且加热到200℃，转变为母相，在降温到-100℃过程中不发生马氏体相变，马氏体相的屈服强度(Rp0.2)为248MPa，母相的屈服强度(Rp0.2)为500MPa，母相和马氏体相相比，屈服强度提高了近两倍，并且具有良好的抗拉强度(Rm)720MPa和延伸率(A35mm)35.5％，保证了管接头的力学性能。
(4)将上述制得的铸锭锻造成棒材，采用机械加工方法加工成如图3～图5所示的带有平整段和收缩段2的管接头零件，收缩段2设在平整段3的两端，平整段3内还可以设有筋4(如图4所示)，平整段3内也可以为光滑面(如图5所示)，管接头1的外观形状如图3所示。将棒材采用机械加工方法中的车、钳、铣、刨、磨进行加工时，按照工件的设计尺寸要求进行加工即可。
(5)在连接各管路时，直接在室温下，将高相变点Ti-19.5Zr-10Nb-0.5Fe形状记忆合金接头直接进行扩孔，然后取出，马上进行管路连接。由于形状记忆合金制成的管接头具有的记忆特性，当温度加热到200℃，管接头将抱紧连接的各管路，合金转变为母相，在降温到-100℃过程中不发生马氏体相变，达到紧密连接的效果和在使用中不出现漏油或漏气的问题。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所做的距离说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对本发明所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代。只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，机械加工方法制成用于连接管件的管接头，其特征在于：在室温扩孔，不需要冷却介质；在室温保存，不需要冷却介质和保温装置。
2.高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金，逆马氏体相变温度为156℃至176℃，形状记忆效应(SME)为4.1％，并且加热到200℃，转变为母相，在降温到-100℃过程中不发生马氏体相变，马氏体相的屈服强度(Rp0.2)为248MPa，母相的屈服强度(Rp0.2)为500MPa，母相和马氏体相相比，屈服强度提高了近两倍，并且具有良好的抗拉强度(Rm)720MPa和延伸率(A35mm)35.5％。
3.根据权利要求2所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头(1)的平整段(3)两端设有收缩段(2)，平整段(3)内可以设有筋(4)或者光滑面。
4.根据权利要求3所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头(1)为管道形状，管接头(1)内设有筋(4)。
5.根据权利要求4所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头(1)在室温扩孔与各管件连接，可以和棒件连接。
6.根据权利要求4所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头可用在航天、航空、制冷和能源等领域中的各管件的连接。
7.根据权利要求4所述的高相变点Ti-Zr-Nb-Fe形状记忆合金管接头，其特征在于：管件适用的环境温度为-60～500℃，使用的工作压力为5MPa～30MPa。
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