CN113637885A - 一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法 - Google Patents

一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金含有30～50at.％的Fe，25～55at.％的Ni，10～30at.％的Co，5～16at.％的Al，1～8at.％的Ti，0～15at.％的Zr。该超弹性合金的制备方法包括均匀化、中间退火、轧制和时效等工艺。本发明的超弹性合金通过添加特定的元素促进纳米沉淀相的析出，有效减小热滞，并通过独特的热处理工艺得到良好的超弹性能，应用前景广阔。

Description

一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法，属于超弹性合金技术领域。
背景技术
通常Fe基合金的马氏体相变为非热弹性的，这类合金不具备超弹性。采用奥氏体变形、奥氏体有序化、奥氏体时效热处理等方法可以调控Fe基合金的马氏体相变使其具有热弹性特征，从而在铁基合金中获得超弹性。近年来，通过奥氏体时效热处理引入有序析出相的方法已成功获得了多种铁基超弹性合金，如Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-Ni-Co-Al-Ta-B等。同时，该合金还具备良好的力学性能、阻尼性能，价格低廉、加工性能优异。由于该合金具有以上诸多的优异特性，受到了人们的广泛关注。
Fe-Ni-Co-Al基合金的热弹性马氏体相变主要受热处理工艺影响。经固溶、时效热处理后，随时效时间的增加，合金的马氏体相变发生由热弹性向非热弹性转变。时效热处理引起基体的成分、硬度等变化，析出相的成分、尺寸、分布，以及形态的改变。这些变化对合金的马氏体相变特征都有重要影响。因此，系统研究这类析出调控型Fe-Ni-Co-Al基合金的热弹性马氏体相变，确定合金热弹性马氏体相变的重要影响因素对于优化Fe-Ni-Co-Al基超弹性合金的性能、开发新型高性能Fe-Ni-Co-Al基超弹性合金具有重要的意义。
其中，应力诱发马氏体转变是影响热弹性马氏体转变的另一个重要影响因素。对于可逆应力诱发马氏体转变，马氏体相变应该发生在滑移之前，因此需要一种强的抗滑移奥氏体基体。γ′沉淀相的引入可以通过提高抗滑移性有效地提高奥氏体基体的强度。然而，由纳米级γ′颗粒强化的铁合金的超弹性响应受到沿晶界析出的β-NiAl(B2)沉淀相的影响极为显著。对于Fe-Ni-Co-Al基合金，Ni元素的添加稳定了奥氏体相，而Co的加入通过固溶强化增加了基体强度。Al元素用于促进γ′相的沉淀。
本发明以FeNiCoAl为基体，开发了Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr超弹性合金，通过添加Ti元素形成L12结构的Ni3Ti，与具有L12结构的Ni3Al纳米相共同析出，强化母相基体，提高合金的强度、硬度和可恢复应变；通过添加Zr元素提高马氏体转变温度(Ms温度)，有效减小热滞，使马氏体从板条状变为薄片状，增加母相的有序度和强度，有利于促进热弹性马氏体转变；通过大变形量的冷轧促进小角度晶界的产生，提高再结晶织构的强度，有效抑制元素偏聚及β-NiAl相的形成，提高合金的塑性。
公开号CN 103233159 A的发明专利申请公开了一种多晶铁基形状记忆超弹性合金及其制备方法，按原子百分数含有如下组分：25-55at.％的Ni，10-13at.％的Al，0.8-1at.％的Ta，55-65at.％的Fe。该专利合金工艺需要进行二次固溶，并进行长时间的时效，才能获得一定程度的性能；本发明的合金只进行了中间退火，并且时效时间大大缩短；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
本发明提供一种多组元Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr超弹性合金及其制备方法，该合金热滞低、综合性能良好、且在特殊的成分范围内具有优良可回复应变与回复率。
本发明的目的还在于提供上述Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr超弹性合金的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金及其制备方法，所述合金包括按原子百分比(at.％)设计化学成分：30～50at.％的Fe，25～55at.％的Ni，10～30at.％的Co，5～16at.％的Al，1～8at.％的Ti，0～15at.％的Zr。
本发明所述的一种多组元Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr超弹性合金及其制备方法，包括如下步骤：
(1)配料与熔炼：按照超弹性合金中各元素的原子百分比进行配料，置于真空熔炼炉中，抽真空后充入氩气，多次熔炼、翻转，浇铸成合金铸锭；
(2)均匀化处理：将步骤(1)制得的合金铸锭置于热处理炉中，加热到1050℃～1250℃，保温1～5h后，在该温度下进行≥25％变形量的热轧；空冷至室温；
(3)中间退火：将步骤(2)中得到的合金置于马弗炉中，加热到1100℃～1250℃，保温20～40min后将合金速放入冷水中，进行淬火处理，使过冷奥氏体的冷却速度大于临界冷却速度；
(4)冷轧：将步骤(3)中得到的合金在室温下进行≥80％的大变形量冷轧；
(5)时效处理：将步骤(4)中得到的合金在500～700℃下时效处理1～80h。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)通过添加Ti元素形成L12结构的Ni3Ti，与具有L12结构的Ni3Al共同促进纳米相的析出，强化母相基体，提高合金的强度、硬度和可恢复应变；通过添加Zr元素提高马氏体转变温度(Ms温度)，有效减小热滞，使马氏体从板条状变为薄片状，增加了母相的有序度和强度，有利于促进热弹性马氏体转变。(2)本发明的制备方法在热处理方面进行了优化，通过大变形量的冷轧促进小角度晶界的产生，提高再结晶织构的强度，有效抑制元素偏聚及β-NiAl相的形成，过程更加可控，而且时效时间大幅度减少，容易实现工业化生产。
附图说明
图1是实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr合金在600℃下时效8h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；
图2是实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr合金在600℃下时效8h后的显微组织；
图3是实施例2本发明的Fe-Ni-Co-Al-Ti-Zr合金在600℃下时效24h后的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本领域的技术人员在理解本发明基本构思的情形下，对本发明进行一些显而易见的变化和改动，这些都属于本发明的权利保护范围。本发明的范围由权利要求来限定。
实施例1
选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钛、金属锆，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝40.5，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.5，Ti＝2.5，Zr＝0.5。
制备方法包括如下步骤：在氩气保护中进行电弧熔炼，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀，吸铸成合金合金棒材；
铸锭加热到1100℃，保温2h后，在该温度下热轧成厚度为15mm的薄板；
空冷至室温；
将轧制后的板材在1200℃进行中间退火处理30min，随后水淬；
在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm的薄板；
再把固溶处理后的材料在600℃时效8h，然后水淬。
实施例2
选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属Ti、金属Zr，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝40.5，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.5，Ti＝2.5，Zr＝0.5。
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，铸造成尺寸为圆锭；
铸锭加热到1100℃，保温2h后，在该温度下热轧成厚度为15mm厚的薄板；
空冷至室温；
将轧制后的板材在1200℃进行中间退火处理30min，随后水淬；
在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；
再把固溶处理后的材料在600℃时效24h，然后水淬。
本发明涉及一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金材料及其制备方法，该超弹性合金的特征在于，含有30～50at.％的Fe，25～55at.％的Ni，10～30at.％的Co，5～16at.％的Al，1～8at.％的Ti，0～15at.％的Zr。该超弹性合金的制备方法包括均匀化、中间退火、轧制和时效等工艺。本发明的超弹性合金通过添加特定的元素促进纳米沉淀相的析出，有效减小热滞，并通过独特的热处理工艺得到良好的超弹性能，应用前景广阔。

Claims (2)

1.一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金，其特征在于：30～50at.％的Fe，25～55at.％的Ni，10～30at.％的Co，5～16at.％的Al，1～8at.％的Ti，0～15at.％的Zr，该超弹性合金的制备方法包括下述步骤：(1)配料与熔炼；(2)均匀化处理；(3)中间退火；(4)冷轧：(5)时效处理。
2.一种根据权利要求1所述的一种多组元FeNiCoAlTiZr超弹性合金的制备方法，其特征在于，由以下方法制备而成：
(1)配料与熔炼：按照超弹性合金中各元素的原子百分比进行配料，置于真空熔炼炉中，抽真空后充入保护气，多次熔炼、翻转，浇铸成合金铸锭；
(2)均匀化处理：将步骤(1)制得的合金铸锭置于热处理炉中，加热到1050～1350℃，保温1～5h后，在该温度下进行≥25％变形量的热轧；空冷至室温；
(3)中间退火：将步骤(2)中得到的合金置于马弗炉中，加热到1100～1250℃，保温20～40min后将合金速放入冷水中进行淬火处理，使过冷奥氏体的冷却速度大于临界冷却速度；
(4)冷轧：将步骤(3)中得到的合金在室温下进行≥80％的大变形量冷轧；
(5)时效处理：将步骤(4)中得到的合金在500～700℃温度下时效处理1～80h。
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