CN113235028B - 一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,包括以下步骤,将镍钛合金进行退火处理;将退火处理后的镍钛合金弯曲于约束模具中进行约束时效处理;将约束时效处理后的镍钛合金进行无约束时效处理,无约束时效处理温度低于约束时效处理温度;将无约束时效处理后的镍钛合金进行淬火工艺,完成高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练。通过本发明的训练方法,使得镍钛条片的应用温度限制降低,极大地提高了应用效率。后续用于调节应用温度的无应力时效处理免去了需要约束的繁琐步骤,并且由于引入了内应力场导致韧性变差,避免了重新放入模具时可能发生镍钛条片断裂的情况。由于不需要模具而降低了成本,提高了生产效率。

Description

一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法
技术领域
本发明涉及形状记忆合金技术领域,特别是涉及一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法。
背景技术
随着镍钛合金在生物医疗、消费电子等领域的应用越来越广泛,作为其主要特性之一的形状记忆性能要求则越来越严格,意味着训练形状记忆效应的方法同时需要进行优化。例如镍钛合金许多应用场景适用于0℃附近的冷藏温度,由于镍钛合金相变温度范围的局限性,能产生的更大的形状变形受到了远低于0℃的B19′马氏体相变温度的制约。
约束时效作为引入双程形状记忆效应的最具效率的方法之一,通过在镍钛基体中引入Ni4Ti3析出相,进而产生析出相周围的应力场以诱发镍钛合金在不同温度下产生相变,最终形成宏观变形。不仅如此,在不同的时效温度下镍钛基体中的镍原子平衡浓度不同,所以需要在保证Ni4Ti3相的尺寸适宜产生较优异的双程形状记忆效应的前提下,还要使镍钛基体中的镍原子平衡浓度尽量降低以使得驱动温度能够升高。为了能够保证优异的双程形状记忆效应,同时能够满足驱动温度的要求,亟需研发一种能同时满足两种需求的新工艺。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是:提供一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,通过该方法训练得到的镍钛合金具有优异的双程形状记忆效应,同时降低了镍钛合金的应用温度,提高了应用效率。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,包括以下步骤,将镍钛合金进行退火处理;
将退火处理后的镍钛合金弯曲于约束模具中进行约束时效处理;
将约束时效处理后的镍钛合金进行无约束时效处理,无约束时效处理温度低于约束时效处理温度;
将无约束时效处理后的镍钛合金进行淬火工艺,完成高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练。
进一步,镍钛合金中,镍原子:钛原子的数量比=50.8~51.0:49.2~49.0。
进一步,退火处理温度为800-1000℃,时长为3-5h。
进一步,淬火工艺为水淬。
进一步,镍钛合金的制备方法为,将镍钛合金锭熔融后快速凝固吸铸成条片状。
进一步,退火处理在惰性气体氛围中进行。
进一步,退火处理后,通过研磨工艺去除镍钛合金的表面氧化膜。
进一步,研磨完成后,镍钛合金尺寸为70×8×1mm。
进一步,约束模具的模腔为半圆弧状,模腔半径为15~33mm。
进一步,约束时效处理温度为452-475℃,时长为1-10h;无约束时效处理温度为375-420℃,时长为1-10h。
总的说来,本发明具有如下优点:
镍钛条片在0℃下的变形量显著提升。由于B19′相变温度的提前而导致几乎能还原完全马氏体时的变形量,使得镍钛条片的应用温度限制降低,极大地提高了应用效率。后续用于调节应用温度的无应力时效处理免去了需要约束的繁琐步骤,并且由于已经过热处理的镍钛条片由于引入了内应力场导致韧性变差,避免了重新放入模具时可能发生镍钛条片断裂的情况。由于不需要模具而降低了成本,可直接放入马弗炉内进行处理,扩大了生产规模,提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例中Ni51Ti49合金条片未经过后续时效处理与分别经过后续时效温度为400℃处理1h和10h制备的Ni51Ti49合金条片在0℃时的弯曲变形。
图2为本发明实施例中Ni51Ti49合金条片未经过后续时效处理、与分别经过后续时效处理1h和10h的热差量扫描曲线。
图3为本发明实施例中Ni51Ti49合金条片未经过后续时效处理与分别经过后续时效处理1h和10h的压应力面透射电镜明场像。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,包括如下步骤:
S1:将富镍近等原子比镍钛合金锭熔融后吸铸成条片状,在惰性气体氛围中退火处理后淬火并机械研磨去除表面氧化膜;
S2:将S1所述样品条片全部弯曲在约束模具中,将装载样品条的约束模具进行约束时效处理,时效工艺温度为450℃,时间为10h,时效结束后淬火;
S3:将S2中获得的条片进行无应力约束的后续时效处理,结束后立即淬火,即完成高马氏体相变温度的富镍镍钛形状记忆合金的训练。
其中,S1中镍钛合金锭的质量为6~10g。吸铸工艺为快速凝固吸铸工艺。退火工艺参数温度为850℃,时长为3h。研磨完成后,条片状尺寸为70×8×1mm。针对70×8×1mm对应的标准为长×宽×厚。
其中,S2中的约束模具的模腔为半圆弧状,模腔半径为15~33mm。
其中,S3中的无应力约束时效温度无需使用约束模具,直接放入马弗炉内以温度为400℃,时长为1~10h的工艺参数进行后续时效处理。淬火工艺为水淬。
优选的一种实施例具体步骤如下:
S1:将金属原料电解Ni和海绵Ti按照原料配比公式
Figure BDA0003008143670000041
获得Ni:Ti=51:49情况下对应的质量并混合在熔炼炉的铜模坩埚内熔成6g的铸锭。
S2:将熔融的铸锭通过气压差吸铸至模腔为条片状的水冷铜模内快速凝固,获得合金条片,将其封入纯氩气氛的石英管并在850~1000℃下进行时长3h的固溶处理。
S3:将合金条片通过电火花切割至主体尺寸为70×8×1(长×宽×厚,mm),机械研磨除去表面氧化膜,最终厚度为0.7mm。
S4:将合金条片放入半径为33mm的约束模具中,以弧形的约束状态放入马弗炉中以温度为450℃,时长为10h的工艺进行时效处理,时效结束后水淬获得双程形状记忆效应。
S5:将合金条片不进行约束放入马弗炉中,以温度400℃的工艺参数分别进行1h和10h的后续无应力时效处理,时效结束后水淬,最终获得训练完成的镍钛条片。
如图1所示,经过后续时效工艺温度为400℃的镍钛条片在0℃的变形量明显提高。如图2所示,在400℃的后续时效处理之后,镍钛条片的B19′相变峰大部分在0℃以上,显著高于相变峰位置大致在-20℃的未经后续时效处理的镍钛条片;R相变温度同样由未经处理的约30℃的位置向高温方向偏移至经过后续时效处理的40~50℃。在显微组织方面,如图3所示,未经后续时效处理的镍钛条片在20℃的透射电子显微镜中的测试温度下,镍钛基体表现为奥氏体,而经过后续时效处理的条片的显微组织中,基体均表现为R相。这意味着通过合理时效参数的后续时效处理能显著提高Ni51Ti49合金在冷藏场景温度下的变形量,并使更高的温度范围内(40~60℃)变形更易发生。
根据镍钛的合金相图可知,在300℃至600℃的温度区间内,镍钛合金基体中的镍原子的平衡溶解度会存在随温度升高而略微升高,又由镍钛基体中镍含量每降低0.1at.%,马氏体相变温度升高10℃的特点,可通过对镍钛合金先进行较高的温度(450℃)的处理,即引入适当尺寸的Ni4Ti3析出相以提供更具效率的驱动双程形状记忆效应的内应力场,通过更低温度的后续无应力约束时效处理使基体中的镍原子的平衡浓度下降但又不过多影响已形成Ni4Ti3相的尺寸和镍钛基体的显微组织,进而提高R相变与B19′马氏体相变温度,使形状记忆效应能够在高马氏体相变场景下驱动更大的变形量。
把实施例中Ni51Ti49合金条换成以下原子组成的富镍的镍钛条片(镍原子:钛原子的数量比=50.8:51.0~49.2:49.0,去除镍原子:钛原子的数量比=51:49的实施例),其得到的合金的训练效果与实施例类似;以及合金的R相变开始温度Rs和结束温度Rf均超过40℃,B19′马氏体相变起始温度Ms与结束温度Mf均发生在0℃附近。
本发明的有益效果包括:镍钛条片在0℃下的变形量显著提升了47%~50%。由于B19′相变温度的提前而导致几乎能还原完全马氏体时的变形量,使得镍钛条片的应用温度限制降低,极大地提高了应用效率。后续用于调节应用温度的无应力时效处理免去了需要约束的繁琐步骤,并且由于已经过热处理的镍钛条片由于引入了内应力场导致韧性变差,避免了重新放入模具时可能发生镍钛条片断裂的情况。由于不需要模具而降低了成本,可直接放入马弗炉内进行处理,扩大了生产规模,提高了生产效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:包括以下步骤,
将镍钛合金进行退火处理;
将退火处理后的镍钛合金弯曲于约束模具中进行约束时效处理;
将约束时效处理后的镍钛合金进行无约束时效处理,无约束时效处理温度低于约束时效处理温度;
将无约束时效处理后的镍钛合金进行淬火工艺,完成高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练;
其中,约束时效处理温度为452-475℃,时长为1-10h;无约束时效处理温度为375-420℃,时长为1-10h;
镍钛合金中,镍原子:钛原子的数量比=50.8~51.0:49.2~49.0。
2.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:退火处理温度为800-1000℃,时长为3-5h。
3.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:淬火工艺为水淬。
4.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:镍钛合金的制备方法为,将镍钛合金锭熔融后快速凝固吸铸成条片状。
5.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:退火处理在惰性气体氛围中进行。
6.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:退火处理后,通过研磨工艺去除镍钛合金的表面氧化膜。
7.按照权利要求6所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:研磨完成后,镍钛合金尺寸为70×8×1mm。
8.按照权利要求1所述的一种高马氏体相变温度的镍钛形状记忆合金的训练方法,其特征在于:约束模具的模腔为半圆弧状,模腔半径为15~33mm。
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