CN113621890A - 一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金及其制备方法，该合金中的各材料按原子百分比有如下组分：Fe 35～55at.％，Ni 25～45at.％，Co 5～20at.％，Al 5～20at.％，Nb 1～5at.％。该超弹性合金的制备方法包括下述步骤：(1)超弹性合金的冶炼与铸造；(2)均匀化、热轧和冷轧；(3)固溶和时效。该超弹性合金通过添加Nb元素形成Ni3Nb，与具有L12的Ni3Al协同析出提高纳米析出相的体积分数，使马氏体相变从非热弹性转变为热弹性，在海洋及核工程等领域减震降噪材料方面具有广阔的应用前景。

Description

一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金及其制备方法，属于功能性合金材料技术领域。
背景技术
形状记忆合金特指具有形状记忆效应和超弹性的一类功能型合金，该合金的两个基本特性分别为形状记忆效应和超弹性。其中，超弹性是指超弹性是指合金样品在全奥氏体态(T>Af)在外力作用下发生大于其弹性阶段的变形(拉伸、压缩、弯曲等)，此时，合金因发生应力诱发的马氏体相变而产生一定的应变，当外力去除后，合金自行恢复到外力作用前的状态。超弹性合金因其独特的性能被大量应用在航空航天、机械电子、舰船减震降噪、生物医疗等领域。此外，超弹性合金的驱动和传感功能，还可用于微驱动器、微机械和微型机器人等。
Fe基超弹性合金的马氏相变分为三类：一类是由面心立方的γ转变为体心正方的薄片状马氏体α′；一类是由面心立方的γ转变为密排六方结构的ε马氏体；还有一类是面心立方的γ转变为面心四方结构马氏体。因此可以将Fe基形状记忆合金分为三类：Fe-Pt系；Fe-Mn-Si系；Fe-Ni系。其中，Fe-Ni系超弹性合金是通过引入沉淀元素强化基体，同时降低马氏体相变体积变化量，使马氏体相变由非热弹性转变为热弹性，从而获得超弹性。这类合金的超弹性主要是靠γ(fcc)
Figure BDA0003169976620000011
薄片状马氏体α′(bcc或bct)这一相变实现。
在已报道的合金研究中，Fe-Ni-Co-Al-Ta-B具有良好的超弹性和可恢复应变，但是获得{035}<100>再结晶织构是Fe-Ni-Co-Al-Ta-B合金具有13.5％超弹性的必要条件，然而这一特殊再结晶织构的获得需要大于98.5％的累积冷轧变形量，实际生产应用很难满足这样的条件。
本发明以FeNiCoAl为基体，开发了Fe-Ni-Co-Al-Nb超弹性合金，通过添加不同比例的Nb元素，调控纳米相的析出，改善合金的硬度和强度，使得该超弹性合金兼具高塑性高强度。公开号CN 102864341 A的发明专利申请公开了一种超弹性合金及其制备方法，合金的成分为：镍45-55at.％，铁0-10at.％，钛25-35at.％，钴5-15at.％。该合金材料不仅具有窄滞后超弹性能，又能够保持良好的形状记忆效应。该专利合金通过抽真空至5.0×10-5Pa，在1000℃下保温72小时，然后匀速冷却至室温得到超弹性合金材料，这与本发明的热处理工艺完全不同。本发明的合金在热处理方面进行了优化，在热轧后进行了空冷，避免了应力集中的产生，并且进行了≥60％的大变形量冷轧，促进了小角度晶界的产生，并有效抑制脆性相β-NiAl(B2)相的产生，提高合金的塑性；该专利合金通过切割成2mm×2mm×4mm的压缩件测试了性能，本发明的合金通过切割成58.5mm×10mm×2mm的拉伸件进行了性能测试，更符合实际应用的标准。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提出一种具有良好超弹性的铁基超弹性合金的成分设计。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提出一种具有良好超弹性的铁基超弹性合金的制备方法。
为了解决第一个技术问题，本发明提出一种具有良好超弹性的铁基超弹性合金，该合金中的各材料按原子百分比有如下组分：Fe 35～55at.％，Ni 25～45at.％，Co 5～20at.％，Al 5～20at.％，Nb 1～5at.％。
为了解决第二个技术问题，本发明提出了一种制备上述铁基超弹性合金的方法，该制备方法包括熔炼、均匀化、轧制和时效处理工艺。
上述Fe-Ni-Co-Al-Nb超弹性合金的制备方法，其特征在于该方法包含以下制备工艺：
(1)选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌，按照原子百分比含量Fe 35～55％，Ni 25～45％，Co 5～20％，Al 5～20％，Nb 1～5％进行配料，熔炼成型过程在气体保护中进行。熔炼过程中利用相关搅拌技术将金属溶液充分混合，并将合金锭多次翻转，以保证成分均匀。
(2)将熔炼得到的金属铸锭加热到1050～1250℃使铸件均匀化，在该温度下保温1～12h，随后水淬，然后在室温下进行变形量≥75％的热轧，使晶粒中的枝晶转化为等轴晶，随后空冷，防止由于应力集中而导致的工件开裂，然后在室温下进行变形量≥60％的冷轧，使小角度晶界比例增大。
(3)轧制后的材料在500～700℃时效处理0.5～100h。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)通过添加Nb元素生成Ni3Nb沉淀相，与具有L12的Ni3Al纳米相协同析出，阻碍位错滑移并与母相保持共格，使马氏体相变从非热弹性转变为热弹性，来提高合金的强度、硬度和可恢复应变，综合力学性能良好。(2)本发明的制备方法在热处理方面进行了优化，该热处理工艺热轧变形量大，可使晶粒中的枝晶转化为等轴晶，随后空冷，防止由于应力集中而导致的工件开裂，然后在室温下进行变形量≥60％的冷轧，使小角度晶界比例增大，过程更加可控，时效时间大幅度减少，容易实现工业化生产。
附图说明
图1实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb合金在600℃下时效35h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；
图2实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb合金在600℃下时效35h后的显微组织；
图3实施例2本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb合金在600℃下时效20h后的显微组织。
具体实施方式
本领域的技术人员在理解本发明基本的构思的情形下,可以对这些进行一些显而易见的变化和改动，这些都属于本发明的范围内。本发明的范围仅由权利要求来限定。
实施例1
选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝43.0，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.0，Nb＝1.0。
制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材。
铸锭加热到1100℃，保温1.5h后，在该温度下热轧成厚度为5mm厚的薄板；
空冷至室温；
在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；
将轧制后的板材在1200℃进行固溶处理1h，随后水淬；
再把固溶处理后的材料在600℃时效35h，然后空冷至室温。
实施例2
选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝42.0，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.0，Nb＝2.0。
制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材。
铸锭加热到1100℃，保温1.5h后，在该温度下热轧成厚度为5mm厚的薄板；
空冷至室温；
在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；
将轧制后的板材在1200℃进行固溶处理1h，随后水淬；
再把固溶处理后的材料在600℃时效20h，然后空冷至室温。
本发明公开一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金及其制备方法，该合金中的各材料按原子百分比有如下组分：Fe 35～55at.％，Ni 25～45at.％，Co 5～20at.％，Al 5～20at.％，Nb 1～5at.％。该超弹性合金的制备方法包括下述步骤：(1)超弹性合金的冶炼与铸造；(2)均匀化、热轧和冷轧；(3)固溶和时效。该超弹性合金通过添加Nb元素形成Ni3Nb，与具有L12的Ni3Al协同析出提高纳米析出相的体积分数，使马氏体相变从非热弹性转变为热弹性，在海洋及核工程等领域减震降噪材料方面具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金，其特征在于，该合金中的各材料按原子百分比有如下组分：Fe 35～55at％，Ni 20～45at％，Co 5～20at％，Al 5～20at％，Nb 1～5at％，该超弹性合金的制备方法包括下述步骤：(1)超弹性合金的冶炼与铸造；(2)均匀化、热轧和冷轧；(3)固溶和时效。
2.根据权利要求1所述的具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比进行配料，放入熔炼炉中，经熔炼、浇铸成合金铸件；
(2)均匀化、热轧和冷轧；
(3)固溶和时效处理。
3.根据权利要求2所述的具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金的制备方法，其特征在于：熔炼及浇铸过程在保护气氛中进行，熔炼过程中利用相关搅拌技术使金属溶液混合均匀。
4.根据权利要求2所述的具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金的制备方法，其特征在于：均匀化、热轧和冷轧的处理工艺为：将铸件加热到1050～1350℃，保温1～5h后，在该温度下进行≥75％的大变形量热轧；空冷至室温，然后在室温下进行≥60％的大变形量冷轧。
5.根据权利要求2所述的具有超弹性的多晶FeNiCoAlNb合金的制备方法，其特征在于：固溶和时效的工艺为：在1100～1350℃下固溶处理5～120min，水淬，然后在500～700℃下时效处理1～80h。
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