CN110241353B - 一种NiTiHfNb高温形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NiTiHfNb高温形状记忆合金及其制备方法，所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的化学式为(Ni50Ti35Hf15)100‑xNbx，其中，7＜x＜19。本发明所述NiTiHfNb高温形状记忆合金同时兼具高塑性和良好形状记忆效应，并且，由于添加了Nb使其含有的Hf含量降低，因此合金成本降低。

Description

一种NiTiHfNb高温形状记忆合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种NiTiHfNb高温形状记忆合金及其制备方法。
背景技术
形状记忆合金是具有奇特形状记忆效应和良好超弹性的现代智能材料。目前应用最成熟的是NiTi形状记忆合金，但其马氏体相变温度不高于100℃，因而只能在低于100℃的环境中服役。在许多重大国防科技及航天航空领域，如武器装备、核反应堆工程、飞机变形机翼、航天航空飞行器诊断系统、太空实验室机器人等某些关键温度驱动装置中，形状记忆合金的服役温度需在100℃以上。因此，近年来学者们致力于开发马氏体相变温度高于100℃的NiTi基高温记忆合金。目前，通过在NiTi二元合金中添加Pd、Pt、Au等元素替代Ni或者添加Zr和Hf等元素替代Ti均可提高马氏体相变温度。其中，NiTiHf高温记忆合金具有价格相对低廉且相变温度高等优点，表现出巨大的潜在应用价值。然而，NiTiHf高温记忆合金存在两个重要瓶颈问题限制了其实际应用：
(1)高温记忆性能不足。NiTiHf合金基体强度低，马氏体相变临界应力并不显著高于塑性滑移临界应力，故合金在变形过程中容易发生塑性滑移进而恶化记忆性能。虽然通过时效析出纳米共格第二相和合金化等方式可提高NiTiHf合金的基体强度，但是目前单晶和多晶NiTiHf合金的最大完全恢复变形量仍远低于常规商用NiTi二元记忆合金，难以满足工程应用要求。
(2)塑性差。NiTiHf合金为有序结构的金属间化合物，且Hf将造成严重晶格畸变，导致其室温塑性差而不易加工。如目前NiTiHf合金的最大冷轧变形量仅为15％，严重影响其在实际使用中能否制备成所需零件形状。显然，如何获得兼具优良塑性和高温形状记忆性能是NiTiHf合金在实际应用中最亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高塑性及良好形状记忆效应的NiTiHfNb高温形状记忆合金。
此外，本发明的目的还在于提供一种NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种NiTiHfNb高温形状记忆合金，所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的化学式为(Ni50Ti35Hf15)100-xNbx，其中，7＜x＜19。
NiTiHfNb高温形状记忆合金采用本发明所述原子百分比称取原材料，依次经过铸锭、真空均匀化处理和固溶处理，同时兼具高塑性和良好形状记忆效应，并且，由于添加了Nb使其含有的Hf含量降低，因此合金成本降低。
进一步地，所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的化学式为(Ni50Ti35Hf15)85Nb15。
一种NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：
1)、按化学成分(Ni50Ti35Hf15)100-xNbx分别称取Ni、Ti、Hf、Nb作为原材料，其中x的取值在7至19之间；
2)、将原材料熔炼获得铸锭；
3)、将铸锭在950℃～1100℃真空均匀化处理3～72小时，冷却方式为炉冷；
4)、将均匀化处理后的铸锭在850℃～970℃固溶处理0.5～3.5小时，冷却方式为水冷。
申请人通过长期试验发现：
合理控制真空均匀化处理的温度和时间，能够大幅提高合金的塑性；合理控制固溶处理的温度和时间能够提高合金的高温形状记忆性能。
采用本发明所述方法制备的NiTiHfNb高温形状记忆合金，具有高塑性，其压缩断裂应变大幅提高至85％，有利于对该合金进行热轧、热锻、冷轧及冷拔等加工方式，同时具有良好的高温形状记忆性能，其室温压缩变形后最大可恢复变形量可达8.5％。
进一步地，x的取值为15。
进一步地，均匀化处理温度为1000℃，时间为18小时；固溶温度为900℃，固溶时间为1小时。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述NiTiHfNb高温形状记忆合金同时兼具高塑性和良好形状记忆效应，并且，由于添加了Nb使其含有的Hf含量降低，因此合金成本降低。
2、采用本发明所述方法制备的NiTiHfNb高温形状记忆合金，具有高塑性，其压缩断裂应变大幅提高至85％，有利于对该合金进行热轧、热锻、冷轧及冷拔等加工方式，同时具有良好的高温形状记忆性能，其室温压缩变形后最大可恢复变形量可达8.5％。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为制备的(Ni50Ti35Hf15)85Nb15合金的SEM图；
图2为制备的(Ni50Ti35Hf15)85Nb15合金的XRD图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：
1)、按化学成分(Ni50Ti35Hf15)100-xNbx分别称取Ni、Ti、Hf、Nb作为原材料，其中x的取值为15；
2)、将原材料置于真空感应熔炼炉反复熔炼4～8次，获得1Kg的铸锭；
3)、将铸锭在1000℃真空均匀化处理18小时，冷却方式为炉冷；
4)、将均匀化处理后的铸锭在900℃固溶处理1小时，冷却方式为水冷。
本实施例制备的NiTiHfNb高温形状记忆合金的SEM图和XRD图分别如图1、图2所示。
实施例2-实施例13，对比例1-对比例5均基于实施例1，与实施例1的区别在于x的取值不同，真空均匀化处理的温度和时间不同，固溶处理的温度和时间不同，具体表1所示，分别测量实施例1-实施例13，对比例1-对比例5制备合金的室温塑性、马氏体相变温度(Ms)和可恢复形变量，如表2所示。其中的室温塑性是指均匀化态NiTiHfNb合金经室温压缩至断裂测得的最大断裂应变量，合金的Ms是指固溶态NiTiHfNb合金经10℃/min升降温的DSC曲线测得，可恢复形变量是指固溶态NiTiHfNb合金经室温压缩法测得的最大可恢复变形量。
表1
Figure BDA0002142136170000031
Figure BDA0002142136170000041
表2
Figure BDA0002142136170000042
由表1、表2的数据可知：
1、通过实施例1-实施例4的对比可知：将原子百分比设置在本发明所述范围，同时均匀化处理温度、时间和固溶处理温度、时间在本发明所述范围内，制备的合金的室温塑性高和可恢复形变量高的优点，其中，最佳原子百分比为(Ni50Ti35Hf15)85Nb15，实施例1为最佳实施例。
2、通过实施例1-实施例4与对比例1-对比例2的对比可知：原子百分比不在本发明所述范围内，即使均匀化处理温度、时间和固溶处理温度、时间在本发明所述范围内，制备的合金的室温塑性和可恢复形变量较低。
3、通过实施例5-实施例7的对比可知：最佳均匀化处理温度为1000℃，时间为18小时。
4、通过实施例5-实施例7与对比例3-对比例4对比可知：将原子百分比和固溶处理温度、时间设置在本发明所述范围内，但均匀化处理温度、时间不在本发明所述范围内，制备的合金的室温塑性差但可恢复形变量高。
5、通过实施例8-实施例13的对比可知：最佳固溶温度为900℃，时间为1小时。
6、通过实施例8-实施例13与对比例5-对比例6对比可知：将原子百分比和均匀化处理温度、时间设置在本发明所述范围内，但固溶处理温度、时间不在本发明所述范围内，制备的合金的室温塑性较好但可恢复形变量差。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种NiTiHfNb高温形状记忆合金，其特征在于，所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的化学式为(Ni50Ti35Hf15)100-xNbx，其中，7＜x＜19；所述NiTiHfNb高温形状记忆合金按原子百分比称取原材料，依次经过铸锭、真空均匀化处理和固溶处理制成，所述真空均匀化处理的温度为950℃～1100℃，时间为3～72小时，所述固溶处理的温度为850℃～970℃，时间为0.5～3.5小时。
2.根据权利要求1所述的一种NiTiHfNb高温形状记忆合金，其特征在于，所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的化学式为(Ni50Ti35Hf15)85Nb15。
3.一种如权利要求1或2所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、按化学成分(Ni50Ti35Hf15)100-xNbx分别称取Ni、Ti、Hf、Nb作为原材料，其中x的取值在7至19之间；
2)、将原材料熔炼获得铸锭；
3)、将铸锭在950℃～1100℃真空均匀化处理3～72小时，冷却方式为炉冷；
4)、将均匀化处理后的铸锭在850℃～970℃固溶处理0.5～3.5小时，冷却方式为水冷。
4.根据权利要求3所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于，x的取值为15。
5.根据权利要求3所述NiTiHfNb高温形状记忆合金的制备方法，其特征在于，均匀化处理温度为1000℃，时间为18小时；固溶温度为900℃，固溶时间为1小时。
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