CN107043872A - 两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料及其制法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料及其制法与应用，该薄带材料包括以下成分：原子比为(1:1)‑(1.1:1)的Ti元素和Ni元素，Ti、Ni两种元素的原子百分数之和为100％；其中，该材料由择优取向的马氏体变体组成，仅包括单一B19’‑NiTi相，该NiTi记忆合金薄带材料两侧的晶粒尺寸不同，一侧晶粒尺寸大于另一侧晶粒尺寸，小晶粒一侧的马氏体相变温度低于大晶粒一侧的马氏体相变温度。该NiTi记忆合金薄带材料具有在加热或冷却过程中实现两步驱动的功能特性，所述制备方法简单方便，该NiTi记忆合金薄带材料可用于制备形状记忆合金驱动器，特别是双程驱动器。

Description

两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料及其制法与应用

技术领域

本发明涉及两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料及其制法与应用，尤其涉及一种加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料及其制备方法与应用，属于智能材料领域。

背景技术

通常驱动器大多以电磁原理，搭配复杂的机构完成驱动动作。这种驱动器的缺点是难以实现结构简单化，尺寸微型化。同时驱动器中零部件数量较多，也会导致制造成本上升并使工作可靠性下降。

形状记忆合金驱动器为利用形状记忆合金材料在高温相与低温相互相转变过程中产生的变形和回复力达到驱动目的，与传统机械或者电磁驱动方式相比较最显著的特点是结构简单，能量耗散小，而且，形状记忆合金易于实现驱动器微型化和自动化。

目前，形状记忆合金驱动器主要是利用形状记忆合金的单程记忆效应和双程记忆效应。单程驱动器结构简单、可靠性好，但不能实现往复运动；而双程驱动器自身可以实现往复运动，但往复运动的驱动力极不对称，通常需要偏置弹簧的协助。另外，双程驱动器很难准确地设计高温和低温两方面的形状，而且在升温或将降温过程中其仅能实现一步驱动。

因此，本领域亟需开发一种在加热或冷却过程中能实现两步驱动的形状记忆合金材料及其制备方法。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的目的之一在于提供一种加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料。

本发明的另一目的在于提供前述NiTi记忆合金薄带材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供前述NiTi记忆合金薄带材料的应用。

为实现上述目的，本发明提供一种加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料，以该材料的总量计，其包括以下成分：原子比为(1:1)-(1.1:1)的Ti元素和Ni元素，Ti、Ni两种元素的原子百分数之和为100％；

其中，该材料由择优取向的马氏体变体组成，仅包括单一B19’-NiTi相，该NiTi记忆合金薄带材料两侧的平均晶粒尺寸不同，一侧平均晶粒尺寸大于另一侧平均晶粒尺寸，小晶粒一侧的马氏体相变温度低于大晶粒一侧的马氏体相变温度。

如上所述，本发明薄带材料由择优取向的马氏体变体构成，薄带材料两侧的晶粒尺寸不同，一侧晶粒尺寸大于另一侧晶粒尺寸，且两侧的马氏体相变温度不同，较小晶粒一侧的相变温度低于较大晶粒一侧的相变温度。该材料在加热过程中，薄带材料具有较小晶粒一侧先发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较小晶粒一侧发生弯曲变形，随着温度升高，具有较大晶粒一侧发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较大晶粒一侧发生弯曲变形，实现了在升温过程中薄带材料的两次驱动变形。在冷却过程中，薄带材料具有较大晶粒一侧先发生马氏体相变而发生形状伸长，导致薄带材料向较小晶粒一侧发生弯曲变形，随着温度降低，具有较小晶粒一侧发生马氏体相变而发生形状伸长，导致薄带材料向较大晶粒一侧发生弯曲变形，实现了在降温过程中薄带材料的两次驱动变形。在多次重复升温至降温过程中，该薄带材料可呈现与在第一次升温-降温过程中相似的两步驱动变形，证明该薄带材料在升温至降温的加热或冷却过程中具有了两步驱动的功能特性。此外，本发明材料非常容易获得，其通过常规熔炼、甩带、变形处理等常规操作即可获得。

作为本发明前述NiTi记忆合金薄带材料的一具体方式，其中，该材料一侧平均晶粒尺寸为20～500纳米，另一侧平均晶粒尺寸为2～10微米。

本发明对前述NiTi记忆合金薄带材料的宽度和厚度不作限定，不同宽度及厚度的材料可根据实际需要制作。例如其厚度为20～100微米，宽度为1～100毫米。

另一方面，本发明提供前述的加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)制备马氏体态的NiTi甩带材料；

(2)在温度不大于50℃的环境中(例如在温度为5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或45℃等环境中)，对步骤(1)所得马氏体态的NiTi甩带材料实施单轴拉伸变形处理，并使其变形量为3％～10％。

在上述的制备方法中，实施的单轴拉伸变形量为3～10％，能够使薄带的自适应马氏体变体转变为择优取向的马氏体变体。本发明单抽拉伸变形量为3％～10％是指相对于拉伸前材料的长度，拉伸后材料长度的增加量为3％～10％。

作为本发明前述步骤(1)的一具体实施方式，其包括熔炼、均匀化退火处理、切割及甩带加工。

作为本发明前述熔炼的一具体实施方式，其包括按照所述NiTi记忆合金薄带材料的成分配比选取纯度在99wt.％以上的单质镍、钛；及

将选取的单质镍、钛放入真空度高于10^-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中进行熔炼，得到NiTi合金铸锭。

在本发明熔炼过程中，根据最终材料成分，将Ti、Ni的原子比控制在(1:1)-(1.1:1)的特定比例，Ti、Ni两种元素的原子百分比之和为100％，能够使得到的铸锭具有高的塑性变形能力和良好的可逆马氏体相变特性。

作为本发明前述均匀化退火处理、切割的一具体实施方式，其包括以下步骤：

对所得NiTi铸锭进行均匀化处理，均匀化退火处理温度为900～1000℃，处理时间4～10小时；然后将均匀化退火处理后的NiTi铸锭切割成小块。

本发明均质化退火处理通过高温均质化处理可以消除或减少铸锭内成分不均匀的组织状态，能够提高材料的使用性能。

作为本发明前述甩带处理的一具体实施方式，其是将熔融待甩带料液滴至旋转的铜轮上进行的，优选地，在其过程中控制待甩带材料的温度为1200～1300℃。

作为本发明前述甩带处理的一具体实施方式，在其过程中控制甩带轮的速率为10m/s～40m/s。

在上述甩带加工过程中，将控制甩带温度为1200～1300℃，甩带速率为10m/s～40m/s，能使所得薄带型材的厚度均匀、表面光滑，两侧的晶粒尺寸合适，薄带的质量较高。

如前所述NiTi记忆合金薄带材料可以Ti、Ni金属单质为原料，通过熔炼、均质化退火处理、甩带加工及适度单轴拉伸变形处理制备得到，其制备方法非常简便，所采用的各种设备和具体的工艺方法均是常用设备和方法；通过对工艺参数和工艺步骤的调整和控制，可以得到不同厚度和宽度的带材。

在本发明方法中，其可通过常规熔炼和甩带加工处理，可以得到薄带型材，薄带型材两侧的晶粒尺寸不同，其均由自适应马氏体变体组成，通过单轴拉伸变形处理，薄带型材中的自适应马氏体变体转变为具有择优取向的马氏体变体，获得了具有两步驱动特性的NiTi记忆合金薄带材料。该薄带材料在加热过程中发生两次相反方向的弯曲变形，而在冷却过程中，其同样发生两次相反方向的弯曲变形，从而使该薄带材料在加热或冷却过程中实现了两步驱动变形。

更优选地，本发明所述制备方包括以下步骤：

按照所述NiTi记忆合金薄带材料的成分配比选取纯度在99wt.％以上的单质镍、钛；

将选取的单质镍、钛放入真空度高于10^-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中进行熔炼，得到NiTi铸锭；

对所得的铸锭进行均匀化退火处理，采用的均匀化温度为1000℃，处理时间为4～10小时；

对经均质化退火处理后的铸锭进行甩带加工处理，得到薄带型材；

在温度不大于50℃的环境中(例如在温度为5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或45℃等环境中)，对该薄带型材进行单轴拉伸变形3～10％处理，得本发明所述实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料。

优选地，本发明方法中的步骤均是在真空度高于10^-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中进行。

再一方面，本发明提供了前述在加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料在制备形状记忆合金驱动器中的应用；

优选地，所形状记忆合金驱动器为双程驱动器。

基于本发明材料的功能特性能够制备出双程驱动器，实现结构简单化，尺寸微型化。

综上可知，本发明提供了一种NiTi记忆合金薄带材料及其制备方法，该NiTi记忆合金薄带材料具有在加热或冷却过程中实现两步驱动的功能特性，所述制备方法简单方便，该NiTi记忆合金薄带材料可用于制备形状记忆合金驱动器，特别是双程驱动器。

附图说明

图1是实施例1中薄带材料的宏观照片。

图2是实施例1中薄带材料经过适当腐蚀处理后，薄带材料靠近甩带铜轮面一侧和自由面一侧的扫描电镜照片。

图3是实施例1中单轴拉伸变形前薄带型材的二维高能XRD图。

图4是实施例1中单轴拉伸变形7％后薄带材料的二维高能XRD图。

图5是实施例1中单轴拉伸变形前薄带材料的DSC曲线图。

图6是实施例1中单轴拉伸变形7％后薄带材料的DSC曲线图。

图7是实施例1中没有经单轴拉伸变形处理的薄带材料在升温过程中的视频截图。

图8是实施例1中经单轴拉伸变形7％处理后薄带材料在升温过程中两步驱动变形的视频截图。

图9是实施例1中经单轴拉伸变形7％处理后薄带材料在降温过程中两步驱动变形的视频截图。

图10是实施例2中单轴拉伸变形3％后薄带材料的二维高能XRD图。

图11是实施例2中经单轴拉伸变形3％处理后薄带材料在升温过程中两步驱动变形的视频截图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。

实施例1

本实施例提供了一种在加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料，其是通过以下步骤制备得到的：

(1)按Ti和Ni原子比1：1的配比选取纯度为99.9wt.％的钛，纯度为99.9wt.％的镍，其中，Ti、Ni的原子百分数之和为100％；

(2)将上述原材放入真空纽扣熔炼炉中，在0.5MPa氩气保护下将其熔炼成铸锭；

(3)对所得铸锭进行均匀化退火处理，采用的均匀化温度为1000℃，时间为5小时；

(4)将经均质化退火处理后的铸锭切成小块，并将小块打磨干净用丙酮清洗；

(5)将清洗过的小块材料放入石英管中，随后装入甩带机中；

(6)在氩气保护下，设定甩带铜轮的转速为20m/s；

(7)在甩带机中利用感应线圈对石英管中的小块铸锭材料进行加热，当温度示数达到1250℃时，将石英管中近似液态的金属喷射到转速为20m/s的甩带铜轮表面，得到金属薄带型材；该薄带型材厚度约为50μm，宽度约为2mm。

(8)将步骤(7)中的薄带型材在20℃下进行变形量为7％的单轴拉伸变形处理，得到在加热或冷却过程中具有两步驱动特性的NiTi记忆合金薄带材料，所得薄带材料的宏观照片如图1所示。

图2是本实施例所得薄带材料靠近甩带铜轮一侧(a)和自由面一侧(b)的扫描电子显微电镜照片，从图中可以看出薄带材料靠近甩带铜轮面一侧的平均晶粒尺寸约为200nm，而靠近自由面一侧的平均晶粒直径约为5μm，由此表明，薄带材料靠近甩带铜轮面一侧的晶粒尺寸明显小于靠近自由面一侧的晶粒尺寸。

图3是单轴拉伸变形处理前薄带材料的二维高能XRD图，可以看出薄带材料只含有单一B19’-NiTi相；另外，从图可以看出各衍射环上的衍射强度分布均匀，由此表明，在单轴拉伸变形前薄带材料由自适应的马氏体变体构成。

图4是单轴拉伸变形7％后薄带材料的二维高能XRD图，可以看出薄带材料仍只含有单一B19’-NiTi相组成；但是，图中各衍射环上的衍射强度分布不均匀，由此表明，在单轴拉伸变形后薄带材料由择优取向的马氏体变体构成。比较图4与图3，可以看出，单轴拉伸变形处理使得自适应马氏体变体转变为择优取向马氏体变体。

图5是单轴拉伸变形前薄带材料的DSC曲线图，从图中可以看出在降温过程中薄带材料的DSC峰不对称，表明降温过程中薄带材料两侧的马氏体相变温度的稍有差异。

图6是经过单轴拉伸变形7％后薄带材料的DSC曲线图，从图中可以看出在降温过程中薄带材料的DSC峰为明显的双峰，表明经单轴拉伸变形处理后薄带材料两侧的马氏体相变温度差别较大。比较图6与图5，可以看出，单轴拉伸变形处理可以明显加大薄带材料两侧的马氏体相变温度的差值。

图7是没有经过单轴拉伸变形处理的薄带材料在升温过程中的视频截图。从图中可以看出，在加热过程中，薄带材料没有发生任何弯曲变形。

图8和图9分别是经单轴拉伸变形7％处理后薄带材料在升温和降温过程中两步驱动变形的视频截图。从图中可以看出，在加热过程中，薄带材料具有较小晶粒一侧先发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较小晶粒一侧发生弯曲变形，随着温度升高，具有较大晶粒一侧发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较大晶粒一侧发生弯曲变形，实现了在升温过程中薄带材料的两次驱动变形。在冷却过程中，薄带材料具有较大晶粒一侧先发生马氏体相变而发生形状伸长，导致薄带材料向较小晶粒一侧发生弯曲变形，随着温度降低，具有较小晶粒一侧发生马氏体相变而发生形状伸长，导致薄带材料向较大晶粒一侧发生弯曲变形，实现了在降温过程中薄带材料的两次驱动变形。

在多次重复升温-降温过程中，该薄带材料可呈现与在第一次升温-降温过程中相似的两步驱动变形，由此说明，本实施例提供的NiTi记忆合金薄带材料在升温-降温加热(冷却)过程中具有了两步驱动的功能特性。

实施例2

本实施例提供了一种在加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料，其是通过以下步骤制备得到的：

本实施例(1)-(7)步骤与实施例1中(1)-(7)步骤相同。

(8)将步骤(7)中的薄带型材在20℃下进行变形量为3％的单轴拉伸变形处理，得到在加热或冷却过程中具有两步驱动特性的NiTi记忆合金薄带材料。

图10是单轴拉伸变形3％后薄带材料的二维高能XRD图，可以看出薄带材料只含有单一B19’-NiTi相组成；但是，图中各衍射环上的衍射强度分布不均匀，由此表明，在单轴拉伸变形后薄带材料由择优取向的马氏体变体构成。比较图10与图3，可以看出，单轴拉伸变形3％处理使自适应马氏体变体转变为择优取向的马氏体变体。比较图10与图4，可以看出，经单轴拉伸变形3％处理得到马氏体变体的取向程度低于单轴拉伸变形7％处理得到马氏体变体的取向程度。

图11是经单轴拉伸变形3％处理后薄带材料在升温过程中两步驱动变形的视频截图。从图中可以看出，在加热过程中，薄带材料具有较小晶粒一侧先发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较小晶粒一侧发生弯曲变形，随着温度升高，具有较大晶粒一侧发生马氏体逆相变而发生形状收缩，导致薄带材料向较大晶粒一侧发生弯曲变形，实现了在升温过程中薄带材料的两次驱动变形。比较图11与图8，可以看出，经单轴拉伸变形3％处理后薄带样品的两步驱动的变形量小于经单轴拉伸变形7％处理后薄带材料两步驱动的变形量。

在多次重复升温-降温过程中，该薄带材料可呈现与在第一次升温-降温过程中相似的两步驱动变形，由此说明，本实施例提供的NiTi记忆合金薄带材料在升温-降温加热(冷却)过程中具有了两步驱动的功能特性。

最后说明的是：以上两个实施例仅用于说明本发明的实施过程和特点，而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料，以该材料的总量计，其包括以下成分：原子比为(1:1)-(1.1:1)的Ti元素和Ni元素，Ti、Ni两种元素的原子百分数之和为100％；

其中，该材料由择优取向的马氏体变体组成，仅包括单一B19’-NiTi相，该NiTi记忆合金薄带材料两侧的平均晶粒尺寸不同，一侧平均晶粒尺寸大于另一侧平均晶粒尺寸，小晶粒一侧的马氏体相变温度低于大晶粒一侧的马氏体相变温度。

2.根据权利要求1所述的加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料，其中，该材料一侧平均晶粒尺寸为20～500纳米，另一侧平均晶粒尺寸为2～10微米。

3.权利要求1或2所述的加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)制备马氏体态的NiTi甩带材料；

(2)在温度不大于50℃的环境中，对步骤(1)所得马氏体态的NiTi甩带材料实施单轴拉伸变形处理，并使其变形量为3％～10％。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，步骤(1)包括熔炼、均匀化退火处理、切割及甩带加工。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述熔炼包括按照所述NiTi记忆合金薄带材料的成分配比选取纯度在99wt.％以上的单质镍、钛；及

将选取的单质镍、钛放入真空度高于10^-1Pa或惰性气体保护的熔炼炉中进行熔炼，得到NiTi合金铸锭。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述均匀化退火处理及切割包括以下步骤：

对所得NiTi铸锭进行均匀化退火处理，均匀化退火处理温度为900～1000℃，处理时间4～10小时；然后将均匀化退火处理后的NiTi铸锭切割成小块。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的制备方法，其中，所述甩带加工的过程中控制甩带材料的温度为1200～1300℃。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述甩带加工的过程中控制甩带轮的速率为10m/s～40m/s。

9.权利要求1或2所述的加热或冷却过程中实现两步驱动的NiTi记忆合金薄带材料在制备形状记忆合金驱动器中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其中，所形状记忆合金驱动器为双程驱动器。