CN109112349B - 一种CuAlMn形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CuAlMn形状记忆合金及其制备方法,包括质量百分比为12.0‑20.0%的Al、7.0‑15.0%的Mn,其余为Cu,所述合金通过以下方法制备:(1)选取Cu、Al、Mn按照合金成分进行配比,之后在坩埚内熔炼,得到合金锭;(2)将合金锭进行变形得到待用的样品;(3)将待用的样品进行区域加热,同时加热区附近设置具有温度梯度的温度场,该样品穿过加热区和温度场开始定向退火;(4)随后通过循环热处理、定向退火或二者相结合的方法获得单晶或柱状晶结构的CuAlMn形状记忆合金;本发明使用定向退火实现CuAlMn形状记忆合金的异常晶粒长大过程中的晶界定向迁移,有利于晶体的定向长大,定向退火工艺简单,并且不受产品尺寸和形状的限制,能够高效制备大尺寸单晶CuAlMn形状记忆合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种形状记忆合金及其制备方法,尤其涉及一种CuAlMn形状记忆合金及其制备方法,属于合金材料及其制备技术领域。
背景技术
形状记忆合金是一种具有形状记忆功能的材料,其能够通过受到磁场、温度场或应力场影响而改变其相组成,通过相变实现其回复带初始形状的效应。此外,在一定温度区间,形状记忆合金可以在应力卸载后自动回复到受力前的形状,这种行为被称为超弹性或伪弹性。由于形状记忆合金具有上述性能,其能够广泛应用于包括传感器、制动器、微控制器、生物医用、减震降噪等多领域。在各种形状记忆合金中,CuAlMn形状记忆合金由于其具有明显的价格优势、良好的形状记忆效应、优异的阻尼性能、高导电导热率和良好的塑性而受到广泛关注,成为最有希望广泛应用于工程机械、桥梁建设、精密仪器的形状记忆合金。控制CuAlMn形状记忆合金的晶体结构是提高其性能的重要手段,研究表明增加CuAlMn形状记忆合金的晶粒尺寸能够大幅度增加其超弹性,从而达到提高其减震降噪性能的目的。因此制备单晶CuAlMn形状记忆合金成为CuAlMn形状记忆合金发展的重要方向。此外,具有明显晶体学择优取向的柱状晶CuAlMn形状记忆合金能够提高多晶材料变形协调性,能够显著提高具有力学各向异性特征的CuAlMn形状记忆合金的形变协调性和相变协调性,具有重要实际应用意义,也是CuAlMn形状记忆合金发展的重要方向。
传统的单晶制备方法如提拉法、布里奇曼晶体生长法等,制备工艺复杂,控制难度大,难以制备大尺寸单晶体;而定向凝固法制备单晶和柱状晶消耗能量大,且凝固过程中容易发生偏析。鉴于传统工艺存在的不足,利用异常晶粒长大制备单晶和柱状晶材料的工艺逐渐受到重视。在形状记忆合金领域,研究发现CuAlMn形状记忆合金在α相析出过程中能够在β相基体上形成亚晶,这些亚晶为热处理过程中β相异常晶粒长大提供驱动力,基于上述发现Omori T等开发出循环热处理法制备单晶CuAlMn形状记忆合金工艺[Omori T.,et al.(2013).Science 341(6153):1500-1502.],[Kusama T.,et al.(2017)NatureCommunications 8(354):1-9]。该方法开创了采用异常晶粒长大机理制备单晶CuAlMn形状记忆合金的先例,随后黄海友等发明了一种取向可控Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶的制备方法(专利申请号201710981910.6),该方法以定向凝固方法制备的柱状多晶CuAlMn形状记忆合金为原料,采用循环热处理方法促使晶粒发生异常晶粒长大,获得了较大尺寸的单晶CuAlMn形状记忆合金。但这两种方法均没有利用异常晶粒长大的定向晶界迁移机制促进单晶CuAlMn形状记忆合金定向增长,提高单晶CuAlMn形状记忆合金制备效率。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能够制备大尺寸单晶或具有明显晶体学择优取向的CuAlMn形状记忆合金及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的:
一种CuAlMn形状记忆合金,包括质量百分比为12.0-20.0%的Al、7.0-15.0%的Mn,其余为Cu,所述合金通过以下方法制备:
(1)选取Cu、Al、Mn按照合金成分进行配比,之后在坩埚内熔炼,得到合金锭;
(2)将合金锭进行变形得到待用的样品;
(3)将待用的样品进行区域加热,同时加热区附近设置具有温度梯度的温度场,该样品穿过加热区和温度场开始定向退火;
(4)随后通过循环热处理、定向退火或二者相结合的方法获得单晶或柱状晶结构的CuAlMn形状记忆合金。
本发明还包括这样一些特征:
1.所述定向退火包括单向定向退火和双向定向退火,所述的循环热处理为:
a.将CuAlMn形状记忆合金加热至750-1000℃,保温10-60分钟;
b.将CuAlMn形状记忆合金冷却至800℃以下,保温10-60分钟;
c.重复上述步骤a和步骤b;
2.所述加热区宽度为2-50mm,定向退火的温度为800-1000℃,温度场的温度梯度为5-200℃/mm;
3.所述样品穿过加热区的移动速率为0.5-300μm/s。
一种CuAlMn形状记忆合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)选取Cu、Al、Mn按照合金成分进行配比,之后在坩埚内熔炼,得到合金锭;
(2)将合金锭进行变形得到待用的样品;
(3)将待用的样品进行区域加热,同时加热区附近设置具有温度梯度的温度场,该样品穿过加热区和温度场开始定向退火;
(4)随后通过循环热处理、定向退火或二者相结合的方法获得单晶或柱状晶结构的CuAlMn形状记忆合金。
还包括这样一些特征:
1.所述定向退火包括单向定向退火和双向定向退火,所述的循环热处理为:
a.将CuAlMn形状记忆合金加热至750-1000℃,保温10-60分钟;
b.将CuAlMn形状记忆合金冷却至800℃以下,保温10-60分钟;
c.重复上述步骤a和步骤b;
2.所述加热区宽度为2-50mm,定向退火的温度为800-1000℃,温度场的温度梯度为5-200℃/mm;
3.所述样品穿过加热区的移动速率为0.5-300μm/s。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明使用定向退火工艺实现CuAlMn形状记忆合金的异常晶粒长大过程中的晶界定向迁移,更有利于晶体的定向长大,定向退火工艺简单,并且不受产品尺寸和形状的限制,能够高效制备大尺寸单晶CuAlMn形状记忆合金;
本发明使用的定向退火工艺有利于控制单晶的取向,可以通过调整定向退火工艺实现不同取向的单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金制备;
本项目工艺简单,易于操作,经济环保,可用于不同形状CuAlMn形状记忆合金单晶制备。
附图说明
图1是实例1的金相组织照片;
图2是实例1的循环拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明一种CuAlMn形状记忆合金,该形状记忆合金经铸锭、变形后利用定向退火和循环热处理而得到单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金。在定向退火过程中,对形状记忆合金材料进行区域加热,同时通过控制加热区附近温度,在该材料加热区附近设计具有特定温度梯度的温度场,使该材料以特定速率移动穿过温度场,利用定向退火使材料发生晶粒选择性长大和定向再结晶,随后通过循环热处理、多次定向退火或二者相结合的方法,继续促进晶粒长大,最终获得单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金。该形状记忆合金的成分为(摩尔百分比)Al 12.0-20.0%、Mn 7.0-15.0%,其余为Cu。
本发明一种CuAlMn形状记忆合金的制备方法,该方法经铸锭、变形后利用定向退火和循环热处理而得到单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金。在定向退火过程中,对形状记忆合金材料进行区域加热,同时通过控制加热区附近温度,在该材料加热区附近设计具有特定温度梯度的温度场,使该材料以特定速率移动穿过温度场,利用定向退火使材料发生晶粒选择性长大和定向再结晶,随后通过循环热处理、多次定向退火或二者相结合的方法,继续促进晶粒长大,最终获得单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金。定向退火的温度在800-1000℃之间,加热区域宽度在2-50mm之间;形状记忆合金材料相对热区的移动速率在0.5-300μm/s之间;温度梯度分布在5-200℃/mm之间。
在完成定向退火工艺后可以通过循环热处理法调控CuAlMn形状记忆合金晶体结构,在循环热处理过程中,对CuAlMn形状记忆合金进行一次或多次处于单相区和两相区的高低温热处理,进一步促使晶粒长大和调控晶粒结构,其工艺包括以下具体步骤:a.将CuAlMn形状记忆合金加热至750-1000℃,保温时间10-60分钟;b.将CuAlMn形状记忆合金冷却至800℃以下,保温时间10-60分钟;c.根据需要多次重复上述步骤a和步骤b。
在定向退火工艺后可以通过循环热处理法调控CuAlMn形状记忆合金晶体结构,在循环热处理过程中,对CuAlMn形状记忆合金加热至750-1000℃,保温时间10-60分钟,随后降温至800℃以下,保温时间10-60分钟,通过重复上述过程,进一步促使晶粒长大和并调控晶粒结构。
在定向退火后也可以通过多次单向定向退火进一步调控CuAlMn形状记忆合金晶体结构,其工艺参数与初次定向退火工艺具有相同的取值范围。在完成定向退火后待温度场降温后重新安置合金,重复上述过程完成多次单相定向退火。
在定向退火后可以通过多次双向定向退火进一步调控CuAlMn形状记忆合金晶体结构,即令CuAlMn形状记忆合金以相同或不同的移动速率往复穿过温度梯度场,其工艺参数与初次定向退火工艺具有相同的取值范围。
可以单独上述方法中的一种完成单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金制备或按照要求混合使用几种方法完成单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金制备
实施例1
按摩尔百分比为:Al 17.0%、Mn 12.0%、Cu 71.0%称量纯度为99.99%的无氧铜、电解铝和电解锰置于铜坩埚内,抽真空,进行电弧熔炼,反复熔炼5-6次,最后得到合金锭。将合金锭热轧至20毫米厚,再经过冷轧至10毫米厚。将轧制好的样品安装在定向退火炉内连接伺服电机的抽拉杆上,关闭定向退火炉盖,抽真空至~10-3Pa,样品的上端与热区一致。热区温度900℃,热区宽度20mm,温度梯度120℃/mm,形状记忆合金材料相对热区的移动速率在15μm/s。随后将定向区进行900℃淬火,获得晶粒长度超过5mm,宽度超过1mm的柱状晶CuAlMn形状记忆合金,其光学显微镜照片如图1所示。随后对进行循环拉伸实验,循环拉伸应力-应变曲线如图2所示,其抗拉强度超过640MPa,5%应变下卸载后对应的残余应变值低于1%。
实施例2
按摩尔百分比为:Al 18.0%、Mn 12.0%、Cu 70.0%称量纯度大于99.9%的纯度均为99.99%的无氧铜、电解铝和电解锰置于铜坩埚内,抽真空,进行电弧熔炼,反复熔炼5-6次,获得合金锭。将合金锭加热至800℃热轧至2毫米厚,再经过冷轧至1毫米厚。将轧制好的样品安装在定向退火炉内连接伺服电机的抽拉杆上,样品的上端与热区一致,关闭定向退火炉盖,抽真空至~10-3Pa。将热区温度调整至900℃,热区宽度为20mm,温度梯度100℃/mm,使合金材料相对热区的移动速率在30μm/s穿过上述温度场。随后对CuAlMn形状记忆合金进行淬火处理,获得柱状晶形状记忆合金。
实施例3
按摩尔百分比为:Al 17.5%、Mn 12.0%、Cu 70.5%称量纯度为99.99%的无氧铜、电解铝和电解锰置于铜坩埚内,抽真空,进行电弧熔炼,反复熔炼5-6次,最后得到合金锭。将合金锭挤压成至直径10毫米的合金棒。随后将样品安装在定向退火炉内连接伺服电机的抽拉杆上,关闭定向退火炉盖,抽真空至~10-3Pa,样品的上端与热区一致。热区温度900℃,热区厚度10mm,温度梯度85℃/mm,形状记忆合金材料相对热区的移动速率在20μm/s下进行定向退火获得单晶CuAlMn形状记忆合金。取出样品放入马弗炉中升温至500℃保温10min,然后升温至900℃保温60min,在降温至500℃保温10min,经过4次循环热处理获得大晶粒尺寸的CuAlMn形状记忆合金,随后对CuAlMn形状记忆合金进行淬火处理,获得单晶CuAlMn形状记忆合金。
综上所述:本发明涉及一种高应变回复能力单晶或柱状晶CuAlMn形状记忆合金及其制备方法,其成分为(摩尔百分比)Al 12.0-20.0%、Mn 7.0-15.0%,其余为Cu。本方法按照合金元素设计成分配料,通过熔炼获得合金,经过变形获得坯料,随后进行定向退火和循环热处理。定向退火过程中,对合金进行区域加热,并通过控制加热区附近温度,产生一个温度梯度,使合金以恒定速度移动通过这个温度场,利用定向退火使CuAlMn形状记忆合金发生定向晶界迁移和晶粒定向长大。对定向退火获得的合金进行循环热处理、多次定向退火或二者结合继续促进晶粒长大,经过淬火处理,最终获得具有单晶或柱状晶结构的CuAlMn形状记忆合金。本方法通过定向退火工艺促进晶粒定向长大,提高了CuAlMn形状记忆合金单晶的生产速率,同时可以根据实际需要实现不同长径比的柱状晶CuAlMn形状记忆合金的生产。
Claims (5)
1.一种CuAlMn形状记忆合金的制备方法,所述CuAlMn形状记忆合金质量百分比为12.0-20.0%的Al、7.0-15.0%的Mn,其余为Cu,其特征是,包括如下步骤:
(1)选取Cu、Al、Mn按照合金成分进行配比,之后在坩埚内熔炼,得到合金锭;
(2)将合金锭进行变形得到待用的样品;
(3)将待用的样品进行区域加热,同时加热区附近设置具有温度梯度的温度场,该样品穿过加热区和温度场开始定向退火;
(4)随后通过循环热处理、定向退火或二者相结合的方法获得单晶或柱状晶结构的CuAlMn形状记忆合金。
2.根据权利要求1所述的CuAlMn形状记忆合金的制备方法,其特征是,所述定向退火包括单向定向退火和双向定向退火,所述的循环热处理为:
a.将CuAlMn形状记忆合金加热至750-1000℃,保温10-60分钟;
b.将CuAlMn形状记忆合金冷却至800℃以下,保温10-60分钟;
c.重复上述步骤a和步骤b。
3.根据权利要求1或2所述的CuAlMn形状记忆合金的制备方法,其特征是,所述加热区宽度为2-50mm,定向退火的温度为800-1000℃,温度场的温度梯度为5-200℃/mm。
4.根据权利要求1或2所述的CuAlMn形状记忆合金的制备方法,其特征是,所述样品穿过加热区的移动速率为0.5-300μm/s。
5.根据权利要求3所述的CuAlMn形状记忆合金的制备方法,其特征是,所述样品穿过加热区的移动速率为0.5-300μm/s。
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