CN108384984B - 一种低成本高温形状记忆合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低成本高温形状记忆合金的制备方法，所述合金的质量百分比名义成分为Cu‑13.0Al‑4.0Ni‑xNb，其中Nb元素含量在0.8wt.％至3.5wt.％之间，即0.8＜x＜3.5。制备方法是，按名义化学成分Cu‑13.0Al‑4.0Ni‑xNb称取Cu、Al、Ni、Nb作为原料，采用非自耗式真空电弧熔炼炉，抽真空至1×10‑3～4×10‑2Pa后，在高纯氩气保护下制备合金原料；然后将熔炼制得材料切割成所要求试样形状，在1023～1173K保温12～24小时实现成分均匀化。通过添加Nb元素细化合金晶粒，其压缩断裂应变大幅提高，达到16％以上，此时合金具有较好的形状记忆效应，完全可恢复应变达5％。

Description

一种低成本高温形状记忆合金的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料特别是形状记忆合金技术领域，具体涉及一种低成本高温形状记忆合金的制备方法。
背景技术
状记忆合金作为一种典型的智能材料，在机械、电子、能源、化工、航空航天、生物医学和日常生活等领域被广泛应用，利用其形状记忆效应制成的各种驱动元件结构简单，灵敏度高且可靠性好。在众多形状记忆合金中，应用最多的是Ti-Ni合金，然而，该合金Ms温度低于100℃，只能在较低温度下使用。而在相当多的情况下，如防火系统、电流过载保护、航空发动机以及核反应堆中的驱动装置的工作温度均高于100℃。因此，发展高温记忆合金一直是形状记忆合金领域的重点方向之一。
目前研究较多的高温形状记忆合金主要有：Ti-Ni-X(X＝Pd、Pt和Au)高温记忆合金、Ni-Mn-Ga基高温记忆合金、Ta-Ru和Nb-Ru高温记忆合金以及Ti-Ta基高温记忆合金等。这些合金均具有较高的相变温度，且表现出不俗的高温形状记忆特性，然而，Pd、Pt、Au、Ta、Ru和Ga等贵金属的成本太高，制约了以上高温记忆合金的大规模实际应用。Cu-Al-Ni高温记忆合金成本低，是一种适合发展高温记忆合金的材料体系，然而，严重的多晶脆性制约了其实际应用，如何提高Cu-Al-Ni合金的塑性成为一个关键的技术问题。目前，改进Cu-Al-Ni脆性最有效的方法是粉末冶金(细化晶粒)，该方法虽然可以得到晶粒细小且力学性能较好的合金材料，但工艺复杂，不利于实际生产。因此，开发一种工艺简单且对Cu-Al-Ni脆性改进效果明显的制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种低成本Cu-Al-Ni-Nb高温记忆合金的制备方法。
本发明采用第四组元掺杂的方法，选择金属铌(Nb)为掺杂元素，制备出具有较好力学性能和一定形状记忆效应的低成本Cu-Al-Ni-Nb高温形状记忆合金。该项发明对实现高温形状记忆合金的大规模生产具有重要的理论和工程应用价值。
本发明的技术方案
一种低成本高温形状记忆合金的制备方法，所述合金的质量百分比名义成分为Cu-13.0Al-4.0Ni-xNb，其中Nb元素含量在0.8wt.％至3.5wt.％之间，Cu元素含量在82.2wt.％至79.5wt.％之间，Al元素含量固定为13.0wt.％，Ni元素含量固定为4.0wt.％；制备方法的步骤如下：
一、称取：按名义化学成分Cu-13.0Al-4.0Ni-xNb称取Cu、Al、Ni、Nb作为原料，其中x的取值在0.8至3.5之间，Al和Ni含量分别固定为13.0wt.％和4.0wt.％；
二、制备Cu-Al-Ni-Nb合金铸锭：将原材料置于非自耗式真空电弧熔炼炉，抽真空至1×10-3～4×10-2Pa后，在高纯氩气保护下制备合金原料。为了保证合金的成分均匀性，每个样品用机械手反复翻转，熔炼4～10次，在熔炼过程中加以磁搅拌，得到直径约为35～50mm的扣状试样。
三、制备均匀化处理后的铸锭：熔炼制得试样材料经机械抛光去除表面杂质，采用线切割方法获得所要求试样形状，并用丙酮清洗，之后封入真空度为1×10-3Pa～5×10-2Pa的石英管中，在1023～1173K保温12～24小时实现成分均匀化，然后冰水淬火获得均匀化处理后的铸锭。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出一种新的具有良好力学性能和形状记忆效应的低成本Cu-Al-Ni-Nb高温形状记忆合金，其质量百分比名义成分Cu-13.0Al-4.0Ni-xNb，其中Nb含量在0.8wt.％至3.5wt.％之间，Cu含量在82.2wt.％至79.5wt.％之间，Al含量固定为13.0wt.％，Ni含量固定为4.0wt.％，Cu-Al-Ni合金晶粒粗且脆性大，通过添加Nb元素细化合金晶粒，其压缩断裂应变大幅提高，达到16％以上，此时合金具有较好的形状记忆效应，完全可恢复应变达5％。
附图说明
图1是Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的金相照片。
图2是Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的二次电子及背散射电子像。
图3是Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的压缩应力-应变曲线。
图4是Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的金相照片。
图5是Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的二次电子及背散射电子像。
图6是Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的压缩应力-应变曲。
具体实施方式
实施例1：
一种低成本Cu-Al-Ni-Nb高温记忆合金的制备方法，所述合金质量百分比名义成分为Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb。按所述名义化学成分分别称取Cu、Al、Ni、Nb作为原料，采用非自耗式真空电弧熔炼炉，抽真空至5.5×10-3后，在高纯氩气保护下制备合金原料。为了保证合金的成分均匀性，每个样品用机械手反复翻转，熔炼4～10次，在熔炼过程中加以磁搅拌，得到直径约为40mm的扣状试样。熔炼制得试样材料经机械抛光去除表面杂质，采用线切割方法获得所要求试样形状，并用丙酮清洗，之后封入真空度为1.5×10-2Pa的石英管中，在1123K保温12小时实现成分均匀化，然后冰水淬火获得均匀化处理后的铸锭。
图1和图2分别示出了室温下Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的金相照片、二次电子及背散射电子像。由图1可知，Nb元素的加入产生了细化晶粒的效果，Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的晶粒尺寸大约为50-200微米。由图2可知，合金的组织结构包括马氏体基体和第二相，马氏体基体具有板条状结构，板条之间呈“人”字形排列。形状不规则的第二相弥散分布在马氏体基体中。根据X射线衍射结果可知，基体为具有单斜结构的18R马氏体，第二相为立方结构的AlNbNi2相。
对Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金进行DSC测试，发现合金的马氏体相变起始温度Ms、马氏体相变终止温度Mf、马氏体逆相变起始温度As和马氏体逆相变终止温度Af分别为182℃、166℃、207℃和216℃。因为高温记忆合金的定义为As大于120℃的记忆合金，所以本合金完全满足高温记忆合金的条件。
图3为Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的压缩应力-应变曲线，由图可知，合金的塑性由于Nb元素的加入得到大幅提高，其压缩断裂应变超过16％，这是由于细晶强化和第二相强化造成的。将合金切成Ф3×5mm的压缩试样，用电子万能力学试验机，采用不同的预压缩量(4％、5％、8％、10％)对试样进行室温变形。当应力卸载后，对已变形试样进行350℃加热，加热时间1～2分钟，并分别测量其形状恢复。当预压缩量为4％和5％时，变形试样可以实现完全形状恢复；当预压缩量为8％时，试样加热后仍有变形残留，形状记忆效应(可逆应变)可达4.4％；当预压缩量提高到10％时，可逆应变量达到5.4％。未加Nb元素的Cu-13.0Al-4.0Ni合金在预压缩量为8％时的形状记忆效应仅有2.6％，Cu-13.0Al-4.0Ni-1.0Nb合金的形状记忆效应较之有大幅提高，说明Nb掺杂不但有效的改善了Cu-13.0Al-4.0Ni合金的力学性能，还能提升其形状记忆效应。
实施例2：
合金质量百分比名义成分为Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb。采用非自耗式真空电弧熔炼炉，抽真空至5.8×10-3Pa后，在高纯氩气保护下制备合金原料。为了保证合金的成分均匀性，每个样品用机械手反复翻转，熔炼4～10次，在熔炼过程中加以磁搅拌，得到直径约为45mm的扣状试样。熔炼制得材料经机械抛光去除表面杂质，采用线切割方法获得所要求试样形状，并用丙酮清洗，之后封入真空度为1.6×10-2Pa的石英管中，在1073K保温18小时实现成分均匀化，然后冰水淬火获得均匀化处理后的铸锭。
图4和图5分别示出了室温下Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的金相照片、二次电子及背散射电子像。Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的晶粒尺寸大约为50-200微米，该合金的组织结构仍然包括18R马氏体基体和AlNbNi2第二相，只是第二相的数量明显增多。合金的Ms、Mf、As和Af温度分别为163℃、145℃、198℃和206℃。图6为Cu-13.0Al-4.0Ni-3.0Nb合金的压缩应力-应变曲线，其压缩断裂应变约为15％。对合金分别进行压缩预变形8％和10％后加热，可得到3.8％和4.7％的形状记忆效应。

Claims (1)

1.一种低成本高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于所述合金制作成本低且具有较好的力学性能和形状记忆效应，质量百分比名义化学成分Cu-13.0Al-4.0Ni-xNb，Nb元素含量在3.0wt.％至3.5wt.％之间，Cu元素含量在80wt.％至79.5wt.％之间，Al元素含量固定为13.0wt.％，Ni元素含量固定为4.0wt.％；
上述低成本高温形状记忆合金的制备方法是按照以下步骤完成的：
一、称取：按名义化学成分Cu-13.0Al-4.0Ni-xNb称取Cu、Al、Ni、Nb作为原料，其中x的取值在3.0至3.5之间，Al和Ni含量分别固定为13.0wt.％和4.0wt.％；
二、制备Cu-Al-Ni-Nb合金铸锭：将原材料置于非自耗式真空电弧熔炼炉，抽真空至1×10-3～4×10-2Pa后，在高纯氩气保护下制备合金；为了保证合金的成分均匀性，每个样品用机械手反复翻转，熔炼4～10次，在熔炼过程中加以磁搅拌，得到直径为35～50mm的扣状试样；
三、制备均匀化处理后的铸锭：熔炼制得材料经机械抛光去除表面杂质，采用线切割方法获得所要求试样形状，并用丙酮清洗，之后封入真空度为1×10-3Pa～5×10-2Pa的石英管中，在1023～1173K保温12～24小时实现成分均匀化，然后冰水淬火，以获得均匀化处理后的铸锭。
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