CN110358963B - 一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi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，目的在于提供一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法。一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：对FeMnAlNi合金进行变形、热处理工艺处理；然后进行定向退火工艺处理，完成定向退火后，可根据需要重复定向退火工艺进行多次定向退火；然后，进行循环热处理；最后对FeMnAlNi形状记忆合金进行淬火处理和时效处理。本发明工艺简单，易于操作，经济环保，可用于不同形状FeMnAlNi形状记忆合金单晶制备；本发明还有利于控制单晶的取向，制备不同取向的单晶或柱状晶FeMnAlNi形状记忆合金。

Description

一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi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，通过相变形状记忆效应。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特异性能，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。相比于目前最广泛应用的Ni-Ti形状记忆合金，Fe基形状记忆合金具有明显的价格优势、同时具备良好加工性能和优异的形状记忆效应，因此更有望于大规模应用。此外，T.Omori等人研究显示FeMnAlNi的超弹性性能随温度变化明显低于其他形状记忆合金，该特点使FeMnAlNi形状记忆合金更适于在复杂工况条件下稳定工作，是最具应用前景Fe基形状记忆合金。
控制形状记忆合金的晶体结构是提高其性能的重要手段，T.Omori等人研究表明增加FeMnAlNi形状记忆合金的晶粒尺寸能够大幅度增加其超弹性。Tseng.L.W等人研究显示晶粒取向对于FeMnAlNi形状记忆合金的超弹性具有重要影响。因此制备具有特定晶粒取向的单晶FeMnAlNi形状记忆合金成为FeMnAlNi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。T.Omori等人研究显示，利用循环热处理法能够有效促进FeMnAlNi形状记忆合金的异常晶粒长大，制备超过30mm长的单晶FeMnAlNi形状记忆合金。但该方法需要多达10次的循环热处理，复杂的制备工艺阻碍其在工业上的应用。可见，现有的FeMnAlNi形状记忆合金制备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FeMnAlNi形状记忆合金定向增长，提高单晶FeMnAlNi形状记忆合金制备效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi形状记忆合金。本发明的目的还在于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柱状晶的FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法。
为了实现本发明的目的，采用的技术方案为：
一种FeMnAlNi形状记忆合金：其成分及摩尔百分比为：Mn29.0-38.0％、Al13.0-15.0％、Ni6.0-10.0％，其余为Fe。
一种FeMnAlNi形状记忆合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对FeMnAlNi合金进行变形、热处理工艺处理；
步骤二：进行定向退火工艺处理；
步骤三：完成定向退火后，可根据需要重复步骤二的定向退火工艺进行多次定向退火；
步骤四：在完成定向退火工艺的基础上进行循环热处理；
步骤五：对FeMnAlNi形状记忆合金进行淬火处理和时效处理。
所述定向退火工艺的定向退火温度为1100-1400℃。
所述的定向退火工艺过程中，对形状合金进行区域加热，加热区域宽度为2-50mm，同时控制加热区域温度并设计温度梯度为5-200℃/mm的温度场，使FeMnAlNi形状记忆合金以0.5-300μm/s的速率穿过温度场。
所述循环热处理过程为将FeMnAlNi形状记忆合金加热至1150-1400℃，保温时间10-120分钟，在将FeMnAlNi形状记忆合金冷却至1200℃以下，保温时间10-60分钟，并可根据需要重复此过程。
所述淬火处理的温度在1150℃以上；时效处理的温度为100-400℃，时效时间在20-600min。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
本发明工艺简单，易于操作，经济环保，可用于不同形状FeMnAlNi形状记忆合金单晶制备，实现了FeMnAlNi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，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FeMnAlNi形状记忆合金；本发明还有利于控制单晶的取向，通过调整定向退火工艺制备不同取向的单晶或柱状晶FeMnAlNi形状记忆合金。
附图说明
图1为实例1所制备的FeMnAlNi形状记忆合金的金相组织照片。
图2为实例1所制备的FeMnAlNi形状记忆合金的循环拉伸应力-应变曲线。
图3为实例2所制备的FeMnAlNi形状记忆合金的金相组织照片。
图4为实例2所制备的FeMnAlNi形状记忆合金的循环拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：
本发明涉及一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi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。目的在于提供一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi形状记忆合金。本发明的目的还在于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柱状晶的FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法。
为了实现本发明的目的，采用的技术方案为：
一种FeMnAlNi形状记忆合金：其成分及摩尔百分比为：Mn29.0-38.0％、Al13.0-15.0％、Ni6.0-10.0％，其余为Fe。
一种FeMnAlNi形状记忆合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对FeMnAlNi合金进行变形、热处理工艺处理；
步骤二：进行定向退火工艺处理；
步骤三：完成定向退火后，可根据需要重复步骤二的定向退火工艺进行多次定向退火；
步骤四：在完成定向退火工艺的基础上进行循环热处理；
步骤五：对FeMnAlNi形状记忆合金进行淬火处理和时效处理。
所述定向退火工艺的定向退火温度为1100-1400℃。
所述的定向退火工艺过程中，对形状合金进行区域加热，加热区域宽度为2-50mm，同时控制加热区域温度并设计温度梯度为5-200℃/mm的温度场，使FeMnAlNi形状记忆合金以0.5-300μm/s的速率穿过温度场。
所述循环热处理过程为将FeMnAlNi形状记忆合金加热至1150-1400℃，保温时间10-120分钟，在将FeMnAlNi形状记忆合金冷却至1200℃以下，保温时间10-60分钟，并可根据需要重复此过程。
所述淬火处理的温度在1150℃以上；时效处理的温度为100-400℃，时效时间在20-600min。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
本发明工艺简单，易于操作，经济环保，可用于不同形状FeMnAlNi形状记忆合金单晶制备，实现了FeMnAlNi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，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FeMnAlNi形状记忆合金；本发明还有利于控制单晶的取向，通过调整定向退火工艺制备不同取向的单晶或柱状晶FeMnAlNi形状记忆合金。
进一步描述如下：
实施例1
一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Fe43.5％、Mn34％、Al15％、Ni7.5％称量纯度为99.99％的纯铁，电解锰，纯铝，纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼5-6次，获得到合金锭。将合金锭在1200℃热轧至2.6毫米厚，再经过冷轧至1.8毫米厚。将轧制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10-4Pa，加热热区至1200℃后开始定向再结晶。定向再结晶工艺为热区宽度10mm，温度梯度40℃/mm，形状记忆合金材料相对热区的移动速率在10μm/s。定向再结晶结束后取出样品，将样品在热处理炉中加热至1200℃保温40分钟后淬火，淬火方法为油淬。之后将样品在200℃时效处理3小时。获得长度超过10mm，宽度超过2mm的FeMnAlNi形状记忆合金晶粒，其光学显微镜照片如图1所示。该工艺制备的FeMnAlNi形状记忆的拉伸应力-应变曲线如图2所示，其抗拉强度超过550MPa，5％应变下卸载后对应的残余应变值低于1.4％，7％应变下卸载后对应的残余应变值低于2.8％。
实施例2
一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Fe43.5％、Mn34％、Al15％、Ni7.5％称量纯度为99.99％的纯铁，电解锰，纯铝，纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼5-6次，获得到合金锭。将合金锭在1200℃热轧至2.5毫米厚，再经过冷轧至1.8毫米厚。将轧制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10-4Pa，加热热区至1200℃后开始定向退火。定向退火工艺为热区宽度10mm，温度梯度40℃/mm，形状记忆合金材料相对热区的移动速率在20μm/s。定向退火结束后取出样品，将样品在热处理炉中加热至1200℃保温40分钟后淬火，淬火方法为油淬。之后将样品在200℃时效处理3小时。获得长度超过6mm，宽度超过1mm的FeMnAlNi形状记忆合金晶粒，其光学显微镜照片如图3所示。该工艺制备的FeMnAlNi形状记忆的循环拉伸应力-应变曲线如图4所示，其抗拉强度超过550MPa，5％应变下卸载后对应的残余应变值低于1.8％,7％应变下卸载后对应的残余应变值低于3.3％。
实施例3
一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Fe43％、Mn38％、Al13％、Ni6％称量纯度为99.99％的纯铁，电解锰，纯铝，纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼5-6次，获得到合金锭。将合金锭热轧至3毫米厚，再经过冷轧至2毫米厚。将轧制好的样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，加热热区至1200℃后开始定向退火。定向退火工艺为热区宽度10mm，温度梯度200℃/mm，形状记忆合金材料相对热区的移动速率在20μm/s，重复上述定向退火工艺3次。定向退火结束后取出样品，将样品在热处理炉中加热至1200℃保温40分钟后淬火，淬火方法为油淬。之后将样品在200℃时效处理3小时，获得柱状晶形状记忆合金。
实施例4
一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Fe48％、Mn29％、Al13％、Ni10％称量纯度为99.99％的纯铁，电解锰，纯铝，纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼5-6次，获得到合金锭。将合金锭热轧至2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，加热热区至1300℃后开始定向退火。定向退火工艺热区宽度20mm，温度梯度100℃/mm，形状记忆合金材料相对热区的移动速率在30μm/s。定向退火结束后取出样品放入马弗炉中升温至900℃保温30min，然后升温至1200℃保温30min，再降温至900℃保温30min，经过4次循环热处理获得大晶粒尺寸的FeMnAlNi形状记忆合金。随后将样品在热处理炉中加热至1200℃保温40分钟后淬火，淬火方法为热水淬。之后将样品在300℃时效处理1小时。获得柱状晶形状记忆合金。
综上所述，本发明涉及一种具有高应变回复能力的FeMnAlNi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，目的在于提供一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法。一种FeMnAlNi形状记忆合金及其制备方法：对FeMnAlNi合金进行变形、热处理工艺处理；然后进行定向退火工艺处理，完成定向退火后，可根据需要重复定向退火工艺进行多次定向退火；然后，进行循环热处理；最后对FeMnAlNi形状记忆合金进行淬火处理和时效处理。本发明工艺简单，易于操作，经济环保，可用于不同形状FeMnAlNi形状记忆合金单晶制备；本发明还有利于控制单晶的取向，制备不同取向的单晶或柱状晶FeMnAlNi形状记忆合金。

Claims (1)

1.一种FeMnAlNi形状记忆合金，其特征在于，FeMnAlNi形状记忆合金的成分及摩尔百分比为：Mn 29.0-38.0%、Al 13.0-15.0%、Ni 6.0-10.0%，其余为Fe；
FeMnAlNi形状记忆合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）对FeMnAlNi合金进行变形、热处理工艺处理；
（2）进行定向退火工艺处理；
（3）完成定向退火后，根据需要重复（2）的定向退火工艺进行多次定向退火；
（4）在完成定向退火工艺的基础上进行循环热处理；
（5）对FeMnAlNi形状记忆合金进行淬火处理和时效处理；
所述定向退火工艺的定向退火温度为1100-1400℃；
所述的定向退火工艺过程中，对形状合金进行区域加热，加热区域宽度为2-50mm，同时控制加热区域温度并设计温度梯度为5-200℃/mm的温度场，使FeMnAlNi形状记忆合金以0.5-300μm/s的速率穿过温度场；
所述循环热处理过程为将FeMnAlNi形状记忆合金加热至1150-1400℃，保温时间10-120分钟，再 将FeMnAlNi形状记忆合金冷却至1200℃以下，保温时间10-60分钟，并根据需要重复此过程；
所述淬火处理的温度在1150℃以上；时效处理的温度为100-400℃，时效时间在20-600min。
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