CN112538582B

CN112538582B - 一种用于记忆合金管接头的坯料及制备方法

Info

Publication number: CN112538582B
Application number: CN202011303050.9A
Authority: CN
Inventors: 宋晓云; 李艳锋; 刘睿; 于洋; 骆雨萌; 罗峥; 叶文君; 惠松骁
Original assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: CN112538582A

Abstract

本发明公开了一种用于记忆合金管接头的坯料，相对于总量100重量％，所述坯料包含4重量％至6重量％的Fe、40重量％至44重量％的Ti、小于0.005重量％的H、小于0.1重量％的O、0.001重量％至0.05重量％的C、小于0.005重量％的N、余量为Ni以及不可避免的杂质，铸锭采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼复合熔炼的方法，在保证成分均匀性的同时获得大规格铸锭，制备铸锭重量不低于300kg，采用热加工方式制备棒坯后进行冷轧，冷变形量10％～20％，相较于所述记忆合金的整体显微组织100体积％，坯料具有大于或等于97体积％的再结晶组织。

Description

一种用于记忆合金管接头的坯料及制备方法

技术领域

本发明属于合金坯料制备领域，特别涉及一种用于记忆合金管接头的坯料及制备方法。

背景技术

TiNiFe合金是一种相变温度低的形状记忆合金材料，具有优良的综合性能，常用于制备航空液压管路用管接头。目前，记忆合金管接头广泛应用于航天、航空领域的各种气路、油路的密封连接。

北京航空航天大学在CN1614056A公开了一种低相变点TiNiFe形状记忆合金及作为管接头的应用，低相变点TiNiFe形状记忆合金的组份和含量为0.1％～5％铁(Fe)、46％～50％钛(Ti)和46％～50％镍(Ni)组成。该管接头采用TiNiFe形状记忆合金材料将其熔炼、锻造成棒材再运用机械加工方法制成所需的结构及形状。本发明管接头可以在室温至－196℃的低温环境下进行扩孔与各管件实现连接，当温度自然回复到室温，管接头抱紧管件达到不泄漏的目的。该形状记忆合金管接头具有重量轻，承受压力高，安全可靠性好的优点。

有研工程技术研究院有限公司也在CN109355511A中公开了属于板电极材料技术领域的一种TiNiFe合金真空自耗熔炼用电极材料及其制备。电极材料包括两段以上的电极板料，相邻两段电极板料采用高低错位的方式拼接，每段电极板料包括相同数量的电极板料单元，所述电极板料单元为三明治结构的高纯钛板-高纯铁板-高纯镍板复合板料；相邻两段电极板料中电极板料单元的拼接方式为高纯钛板-高纯铁板-高纯镍板与高纯镍板-高纯铁板-高纯钛板对位拼接。提供的TiNiFe合金真空自耗熔炼用电极材料，成分配料精确，焊接连接强度高，为真空感应熔炼成分均匀、杂质含量低的TiNiFe合金奠定基础；制备方法简单，可以推广至其它钛合金的真空自耗熔炼的板电极材料的制备。

但是现有的有关TiNiFe合金的研究还是偏少，并且在组分调控以及性能优化方面还存在较多的进步空间。TiNiFe合金的相变温度和回复应力对于合金主元素成分的均匀性和杂质元素含量非常敏感。目前，常用的TiNiFe记忆合金通常采用真空感应熔炼方式制备铸锭并热加工成棒坯，存在问题(1)由于Fe元素容易偏析，为了控制成分均匀性，铸锭重量小，一般不超过50kg；(2)为了满足应用，通常需要熔炼多个铸锭，导致不同铸锭间的批次稳定性差，进而加工的管接头性能差异大；(3)热加工棒材坯料强度偏低，导致回复应力较低，进而影响了合金制备管接头的紧固效果。如何通过优化原料及其制备工艺，来获得高性能的能够用于记忆合金管接头的坯料及其制备方法是现在亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，研制出一种用于记忆合金管接头的坯料及制备方法：

一种用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：相对于总量100重量％，所述坯料包含4重量％至6重量％的Fe、40重量％至44重量％的Ti、小于0.005重量％的H、小于0.1重量％的O、0.001重量％至0.05重量％的C、小于0.005重量％的N、余量为Ni以及不可避免的杂质，铸锭采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼复合熔炼的方法，在保证成分均匀性的同时获得大规格铸锭，制备铸锭重量不低于300kg，采用热加工方式制备棒坯后进行冷轧，冷变形量10％～20％，相较于所述记忆合金的整体显微组织100体积％，坯料具有大于或等于97体积％的再结晶组织。

作为优选，所述坯料具有的平均晶粒粒径可为10μm至20μm。

作为优选，所述坯料中马氏体的体积占比小于5％；

作为优选，所述坯料包含0.001重量％至0.05重量％的C，进一步优选为0.02重量％的C；

作为优选，所述坯料包含4重量％至6重量％的Fe，进一步优选为5.5重量％的Fe；

作为优选，所述坯料包含40重量％至44重量％的Ti，进一步优选为42重量％的Ti；

一种用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)采用高纯Ti，高纯Ni，高纯Fe，微量碳作为原料，精准称量，配料；

(2)将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼组合熔炼的方式，具体为首先1-3次真空感应熔炼，然后1-3次真空自耗熔炼，获得大规格合金铸锭，确保成分均匀性；

(3)铸锭开坯：铸锭在950～1050℃热压开坯，采用慢应变速率以控制元素的回熔以确保组织均匀性，初始应变速率控制在1×10^-4～3×10^-4s^-1；

(4)棒坯制备：采用降温锻造方式制备棒坯，锻造温度820～920℃，火次变形量40～60％，终锻尺寸15～30mm；

(5)冷轧：对棒坯进行冷轧，施加一定的冷变形以提高强度，制备得到管接头用坯料，坯料冷变形量为10-20％。

作为优选，将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼组合熔炼的方式，具体为首先2次真空感应熔炼，然后3次真空自耗熔炼，获得大规格合金铸锭，确保成分均匀性。

作为优选，铸锭在1000℃热压开坯，采用慢应变速率以控制元素的回熔以确保组织均匀性，初始应变速率控制在2×10^-4s^-1。

作为优选，采用降温锻造方式制备棒坯，锻造温度870℃，火次变形量50％，终锻尺寸20mm。

作为优选，对棒坯进行冷轧，施加一定的冷变形以提高强度，制备得到管接头用坯料，坯料冷变形量为15％。

另外，本说明书中晶粒粒径是指测定单位内存在的晶粒的直径。如果晶粒为非球形，则晶粒粒径是指计算所述非球形晶粒的近似球体的直径而得到的直径。

下面对本发明中限制合金的成分和组分范围的理由进行说明。

碳(C)可包含0.001重量％至0.05重量％。具体来说，当加入微量碳时，将会使得合金产生异质成核，并使得晶向在固液变化过程中发生形态变化，继而有利于包晶反应过程，但是C含量过多，将会导致生成陶瓷相TiC，并且强化第二相的析出，影响坯料的压缩屈服强度，进而影响合金的回复应力。所述坯料包含0.001重量％至0.05重量％的C，进一步优选为0.02重量％的C

铁(Fe)可包含4重量％至6重量％。当加入一定量的铁，将会有利于坯料晶粒度的增加，晶粒的平均直径减少，并且可以提高坯料的强度，同时，还能够提高体系的固溶强化。所述坯料包含4重量％至6重量％的Fe，进一步优选为5.5重量％的Fe。

本申请中包含小于0.005重量％的H、小于0.005重量％的O、小于0.005重量％的N；这样可以避免过多的生成二次相，并且影响元素的回熔。

采用本发明的坯料及其制备方法，具有如下的技术效果：

通过对于NiTiFe合金的组成进行优化，使得所制备的用于记忆合金管接头的坯料具有较高的屈服强度，导热率；而由于Fe元素容易偏析，直接采用真空自耗熔炼难于控制成分均匀性，因此将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与自耗熔炼组合熔炼的方式，获得大规格合金铸锭，并确保成分均匀性；通过特殊的热压开坯工艺，采用慢应变速率以控制元素的回熔以保证组织均匀采用热加工发生制备棒坯，然后进行冷轧制备管接头用坯料，坯料冷变形量为10-20％，从而使坯料具有优良的屈服强度和回复应力导热率。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

(2)将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼组合熔炼的方式，具体为首先2次真空感应熔炼，然后3次真空自耗熔炼，获得大规格合金铸锭，确保成分均匀性；

(3)铸锭开坯：铸锭在1000℃热压开坯，采用慢应变速率以控制元素的回熔以确保组织均匀性，初始应变速率控制在2×10-4s-1；

(4)棒坯制备：采用降温锻造方式制备棒坯，锻造温度870℃，火次变形量50％，终锻尺寸20mm；

(5)冷轧：对棒坯进行冷轧，施加一定的冷变形以提高强度，制备得到管接头用坯料，坯料冷变形量为15％。

一种用于记忆合金管接头的坯料，相对于总量100重量％，所述坯料包含5.5重量％的Fe、42重量％的Ti、0.02重量％的C、0.001重量％的H、0.001重量％的O、0.001重量％的N，余量为Ni以及不可避免的杂质，铸锭采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼复合熔炼的方法，在保证成分均匀性的同时获得大规格铸锭，制备铸锭重量为350kg，采用热加工方式制备棒坯后进行冷轧，冷变形量15％，相较于所述记忆合金的整体显微组织100体积％，坯料具有大于或等于97体积％的再结晶组织。所述坯料具有的平均晶粒粒径为15μm。所述坯料中马氏体的体积占比小于5％。

实施例2-实施例27：

实施例2-实施例27基于实施例1，与实施例1的区别在于坯体各元素的含不同、制备工艺不同，具体区别如表1所示，表1还包括了各个实施例对应的屈服强度，回复应力导热率和表面硬度数据。

对比例1-对比例23：

对比例1-对比例23基于实施例1，与实施例1的区别在于坯体各元素的含不同、制备工艺不同，用于对比相关因素对于屈服强度，回复应力导热率和表面硬度数据的影响。

表1

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：相对于总量100重量％，所述坯料包含4重量％至6重量％的Fe、40重量％至44重量％的Ti、小于0.005重量%的H、小于0.1重量%的O、0.001重量%至0.05重量%的C、小于0.005重量%的N、余量为Ni以及不可避免的杂质，铸锭采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼复合熔炼的方法，在保证成分均匀性的同时获得大规格铸锭，制备铸锭重量不低于300kg，采用热加工方式制备棒坯后进行冷轧，冷变形量10%~20%，相较于所述记忆合金的整体显微组织100体积%，坯料具有大于或等于97体积％的再结晶组织；

其制备方法包括如下步骤：

（1）采用高纯Ti，高纯Ni，高纯Fe，微量碳作为原料，精准称量，配料；

（2）将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼组合熔炼的方式，具体为首先1-3次真空感应熔炼，然后1-3次真空自耗熔炼，获得大规格合金铸锭，确保成分均匀性；

（3）铸锭开坯：铸锭在950~1050℃热压开坯，采用慢应变速率以控制元素的回熔以确保组织均匀性，初始应变速率控制在1×10^-4~3×10^-4s^-1；

（4）棒坯制备：采用降温锻造方式制备棒坯，锻造温度820~920℃，火次变形量40~60%，终锻尺寸15~30mm；

（5）冷轧：对棒坯进行冷轧变形，施加一定的冷变形以提高强度，制备得到管接头用坯料，坯料冷变形量为10-20%。

2.一种如权利要求1所述的用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：所述坯料具有的平均晶粒粒径为10μm至20μm。

3.一种如权利要求1所述的用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：所述坯料中马氏体的体积占比小于5%。

4.一种如权利要求1所述的用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：所述坯料包含0.02重量%的C。

5.一种如权利要求1所述的用于记忆合金管接头的坯料，其特征在于：所述坯料包含5.5重量％的Fe；所述坯料包含42重量％的Ti。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：

7.一种如权利要求6所述的用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其特征在于：将配好的合金原料混合后采用真空感应熔炼与真空自耗熔炼组合熔炼的方式，具体为首先2次真空感应熔炼，然后3次真空自耗熔炼，获得大规格合金铸锭，确保成分均匀性。

8.一种如权利要求6所述的用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其特征在于：铸锭在1000℃热压开坯，采用慢应变速率以控制元素的回熔以确保组织均匀性，初始应变速率控制在2×10^-4s^-1。

9.一种如权利要求6所述的用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其特征在于：采用降温锻造方式制备棒坯，锻造温度870℃，火次变形量50%，终锻尺寸20mm。

10.一种如权利要求6所述的用于记忆合金管接头的坯料的制备方法，其特征在于：对棒坯进行冷轧变形，施加一定的冷变形以提高强度，制备得到管接头用坯料，坯料冷变形量为15%。