CN1228465C - 微米晶钛镍钯基高温形状记忆合金制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微米晶钛镍钯基高温形状记忆合金制备方法，将原子百分比为48%～52%的钛，0%～42%的钯，10%～50%的镍在真空条件下熔炼，制成钛镍钯合金铸锭，将钛镍钯合金块材切割成坯料，进行表面光洁度处理，并涂敷玻璃润滑剂，采用挤压通道角度为90～120°的等径弯角挤压模具，模具型腔表面涂敷石墨润滑剂，将坯料、模具分别加热保温，并同时从加热炉中取出进行等径弯角挤压，最终获得强度、塑性等性能良好的钛镍钯合金块材。本发明可以解决钛镍钯高温形状记忆合金室温塑性差的问题，提高合金力学性能，同时降低合金处理成本，提高其成材率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种微米晶钛镍钯(TiPd-Ni)基高温形状记忆合金制备方法，采用等径弯角挤压方法制备提高高温形状记忆合金的低温塑性、强度及高温形状记忆性能的钛镍钯合金块材，进而提高该形状记忆合金在航空航天、医疗卫生及民用工业等领域的实际工程应用价值。属于金属材料及冶金类技术领域。
背景技术：
形状记忆合金自70年代问世以来，其呈现出的形状记忆效应和超弹性现象受到了材料界的广泛重视。在航空航天、生物医学、民用工业等领域已得到广泛的应用，并具有更广阔的应用前景。目前，已获得广泛应用的形状记忆合金主要是TiNi基合金及Cu基合金(Cu-Zn-Al)，这两类合金的马氏体相变温度均不高，一般不超过100℃。但在航空航天、汽车工业等领域中，作为感知与驱动的形状记忆合金元件，其工作环境温度往往远高于100℃。因此，TiNi基合金及Cu基合金(Cu-Zn-Al)的应用受到限制。近年来，高温形状记忆合金的研究开发一直受到国际材料界的广泛重视。相继开发出马氏体相变温度在100℃以上的形状记忆合金系列多种，如：Cu基、TiNi-Zr(Hf)、NiAl基、TiPd基合金等。其中，Cu基极易发生高温分解，母相结构难以保持稳定，不宜选作高温形状记忆合金；NiAl基合金晶界脆性极为严重，二元多晶NiAl合金室温塑性几乎为零[GeorgeEP，Liu CT，etal，Mater.Charac.，(1994)32：139]；TiNi合金加入Zr、Hf可使马氏体相变温度显著提高，但TiNi-Zr(Hf)极易析出脆性相[Mulder J H，Maas J H，Beyer J，Proc.ICOMAT-92，Monterey，1992，869]，使合金塑性恶化；目前，TiPd基合金被认为是最有希望的高温形状记忆合金。但二元TiPd合金或金属间化合物具有很高的Ms点，由于其脆化问题，TiPd-Ni基合金的室温拉伸极限延伸率仅为8％，微合金化后(加入微量合金元素B)虽提高至16％，仍并非理想，难以满足工程加工塑性要求，有待进一步提高。
因此，如何提高材料的塑性是TiPd-Ni基合金首要解决的问题。实践证明：细小等轴的晶粒可改善合金的塑性变形能力，常用的合金晶粒细化工艺一般分为四种【郑来苏.铸造合金及熔炼〔M〕.西安：西北工业大学出版社，1994】：液态时加入各种晶粒细化剂或借助外部能量使枝晶破碎，从而细化铸造组织，如添加锆等元素细化晶粒；半固态成形细化晶粒；铸造粉末冶金成形；强烈塑性变形方法，诸如压扭法、等径弯角挤压法(Equal Channel Angular Extrusion，简称ECAE)等，都被用来制备细晶材料。前三种方法均为铸造成型，晶粒细化效果不明显。塑性变形方法可以制备出块状细晶材料，但是，为了获得比较大的应变量，压扭法只能制备出非常薄的片状材料，而等通道转角挤压法则能制备出比较大的块状细晶材料。
等径弯角挤压工艺原理及方法对具有良好塑性的镁、铝基合金的晶粒细化已有诸多报道，但对强度高、塑性差的金属合金的晶粒细化却受到很多因素的制约。S.L.Semiat in，D.P.DeLo等对工业纯钛(CP Ti)、Ti-6Al-4V的等径弯角挤压表明【Equal channel angular extrusion of difficult-to-work alloys SystranFederal Corporation，Dayton，OH 45432，USA】，在非等温条件下，由于温度的急剧下降，润滑条件不适当等因素的影响，经等径弯角挤压后的坯料均出现不同程度的断裂，因而不能够得到大块体细晶材料。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微米晶钛镍钯基高温形状记忆合金制备方法，解决钛镍钯基形状记忆合金室温塑性差的问题，提高其力学性能，同时降低高温形状记忆合金处理的成本，提高其成材率。
为实现这样的目的，本发明选用纯度分别为99.95％(质量百分数)的海绵钛、99.95％(质量百分数)的钯板和99.95％(质量百分数)的镍板为原料，在真空条件下进行熔炼，制成钛镍钯合金铸锭。合金的成分(原子百分数)范围为：钛为48％～52％，钯为0％～42％，其中钯的百分比不等于0，镍为10％～50％；将钛镍钯合金块材切割成坯料，进行表面光洁度处理，并涂敷玻璃润滑剂。模具采用挤压通道角度为90～120°的等径弯角挤压模具，模具型腔表面涂敷石墨润滑剂。将坯料、模具分别加热保温，并同时从加热炉中取出进行等径弯角挤压，最终获得强度、塑性等性能均良好的钛镍钯基合金块材。
本发明的钛镍钯基高温形状记忆合金制备方法具体为：将原料按原子百分比钛48％～52％，钯0％～42％，其中钯的百分比不等于0，镍10％～50％配备好，在真空条件下进行熔炼，制成钛镍钯合金铸锭。将块状钛镍钯合金切割成坯料，用电火花线切割法对坯料进行表面处理，达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度应不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮对毛坯表面进行表面清洗，将毛坯置于干净的不锈钢托盘上，在60℃～100℃的温度下预热20～60分钟，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防护润滑剂，涂层要均匀，涂层厚度约为0.2～0.4mm。毛坯涂敷后在60℃～100℃的温度下烘干20～60分钟，若出现落涂、划痕、剥落等缺陷，应进行补涂或洗去重涂。
本发明采用等径弯角挤压模具，模具的挤压通道角度为90～120°。用丙酮对模具进行表面和型腔清洗，在60℃～100℃的温度下预热1～1.5小时，然后涂敷石墨润滑剂，涂层厚度要均匀。
将涂好石墨润滑剂的模具放在300℃～600℃的加热炉中进行加热，达到温度后保温1～1.5小时；将另外一个加热炉加热到880℃～980℃，将准备好的坯料置于石棉瓦上，放入此加热炉中，待温度升到880℃～980℃后，保温15～30分钟。将加热好的坯料和模具同时取出，然后迅速将坯料放入模具中，在300KN液压万能试验机上对坯料进行挤压，挤压开始温度≥750℃，挤压终了温度≥600℃。重复对挤压出的坯料进行表面处理和涂敷玻璃润滑剂、模具型腔涂敷石墨润滑剂、再进行挤压共2～8次，即可获得微米晶钛镍钯合金块材，其微观晶粒平均尺寸为0.2～0.6μm。
本发明采用等径弯角挤压工艺，其特点是使试样在变形前后尺寸不变，处理简单，成材率高，并可实现大工件加工。挤压前对模具型腔及待挤压的坯料分别进行不同的润滑处理，既可以有效的阻止高温坯料的急剧温降，同时可显著的降低坯料和模具工作表面间的滑动摩擦阻力，从而有效地提高合金材料的流动均匀性，保证挤压过程的顺利进行；润滑处理工艺方法简单，成本低，经实际操作后，坯料与模具自行脱落，没有相互粘结在一起，工艺性好。坯料端部弧度及坯料表面光洁度的确定，有利于坯料在挤压过程中减少摩擦，提高坯料的塑性流动的均匀性。坯料、模具加热时间和保温时间的确定以及将加热好的坯料和模具同时从加热炉中取出进行等径弯角挤压，可防止晶粒长大，有利于形成细小的钛镍钯微米晶，最终获得强度、塑性等性能良好的钛镍钯合金块材。
本发明可以解决钛镍钯高温形状记忆合金室温塑性差的问题，提高其力学性能，同时降低高温形状记忆合金处理的成本，提高其成材率。
具体实施方式：
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
将原料按原子百分比钛50％，钯20％，镍30％配备好，在氩气保护下采用冷壁铜坩埚真空磁悬浮感应法熔炼，制成钛镍钯合金铸锭，每个锭的质量约90克。将钛镍钯合金块材线切割成横截面为9.3×9.3mm，长度为87mm的坯料，用电火花线切割法对坯料进行表面处理，达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度应不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮对毛坯表面进行表面清洗，将毛坯置于干净的不锈钢托盘上，在80℃的温度下预热30分钟，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防护润滑剂，涂层要均匀，涂层厚度约为0.2mm，涂敷后毛坯在90℃的温度下烘干20分钟，若出现落涂、划痕、剥落等缺陷，应进行补涂或洗去重涂。用丙酮对挤压角度为120度模具进行表面和型腔清洗，在80℃的温度下预热1小时，然后涂敷石墨润滑剂，涂层要均匀。
将涂好石墨润滑剂的模具放在300℃的加热炉中进行加热，达到温度后保温1小时；将另外一个加热炉加热到880℃，将准备好的坯料置于石棉瓦上，放入此加热炉中，待温度升到880℃后，保温20分钟。将加热好的坯料和模具同时取出，然后迅速将坯料放入模具中，在液压万能试验机上立即进行挤压，将挤压出来的坯料再进行表面处理等进行2次挤压，即可获得微米晶钛镍钯合金块材。钛镍钯合金块材的晶粒细化至微米级，强度、塑性等性能均有显著提高。
实施例2：
将原料按原子百分比钛50％，钯30％，镍20％配备好，在真空条件下进行熔炼，制成钛镍钯合金铸锭。将钛镍钯合金块材线切割成横截面为9.3×9.3mm，长度为87mm的坯料，用电火花线切割法对坯料进行表面处理，达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮对毛坯表面进行表面清洗，将毛坯置于不锈钢托盘上，在65℃的温度下预热50分钟，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防护润滑剂，涂层要均匀，涂层厚度约为0.3mm，涂敷后毛坯在90℃的温度下烘干20分钟，若出现落涂、划痕、剥落等缺陷，应进行补涂或洗去重涂。用丙酮对挤压角度为90度模具进行表面和型腔清洗，在60℃的温度下预热1.5小时，然后涂敷石墨润滑剂，涂层要均匀。
将涂好石墨润滑剂的模具放在400℃的加热炉中进行加热，达到温度后保温1小时；将另外一个加热炉加热到950℃，将准备好的坯料置于石棉瓦上，放入此加热炉中，待温度升到950℃后，保温20分钟。将加热好的坯料和模具同时取出，然后迅速将坯料放入模具中，在液压万能试验机上立即进行挤压，将挤压出来的坯料再进行表面处理等进行4次挤压，即可获得强度、塑性等性能良好的微米晶钛镍钯合金块材。
实施例3：
将原料按原子百分比钛50％，镍50％配备好，在真空条件下进行熔炼，制成钛镍合金铸锭。将钛镍合金块材线切割成横截面为9.3×9.3mm，长度为87mm的坯料，用电火花线切割法对坯料进行表面处理，达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度应不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮对毛坯表面进行表面清洗，将毛坯置于干净的不锈钢托盘上，在100℃的温度下预热20分钟，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防护润滑剂，涂层要均匀，涂层厚度约为0.4mm，涂敷后毛坯在90℃的温度下烘干30分钟，若出现落涂、划痕、剥落等缺陷，应进行补涂或洗去重涂。用丙酮对挤压角度为90度模具进行表面和型腔清洗，在90℃的温度下预热1小时，然后涂敷石墨润滑剂，涂层要均匀。
将涂好石墨润滑剂的模具放在550℃的加热炉中进行加热，达到温度后保温1小时；将准备好的坯料置于石棉瓦上，放入另外一个加热到970℃的加热炉中，待温度升到970℃后，保温20分钟。将加热好的坯料和模具同时取出，然后迅速将坯料放入模具中，在液压万能试验机上立即进行挤压，将挤压出来的坯料再进行表面处理等进行4次挤压，即可获得强度、塑性等性能均有明显提高的微米晶钛镍合金块材。
Claims (1)
1、一种微米晶钛镍钯基高温形状记忆合金制备方法，其特征在于：选用纯度质量百分数为99.95％的海绵钛、99.95％的钯板和99.95％的镍板为原料，将原子百分比为48％～52％的钛，0％～42％的钯，其中钯的百分比不等于0，10％～50％的镍在真空条件下熔炼，制成钛镍钯合金铸锭，然后采用电火花线切割法将铸锭切割成坯料并进行表面光洁度处理，达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度Ra＝1.25～2.5μm，用丙酮清洗后将毛坯在60℃～100℃的温度下预热20～60分钟，然后在毛坯表面均匀涂敷玻璃防护润滑剂，涂层厚度为0.2～0.4mm，涂敷后毛坯在60℃～100℃的温度下烘干20～60分钟；采用挤压通道角度为90～120°的等径弯角挤压模具，用丙酮对模具进行表面和型腔清洗，在60℃～100℃的温度下预热1～1.5小时后均匀涂敷石墨润滑剂，然后将模具放在300℃～600℃的加热炉中加热并保温1～1.5小时，将另外一个加热炉加热到880℃～980℃，将准备好的坯料放入此加热炉中加热并保温15～30分钟，然后将加热好的坯料和模具同时取出，并迅速将坯料放入模具中，在液压万能试验机上对坯料进行挤压，挤压开始温度≥750℃，挤压终了温度≥600℃，重复对挤压出的坯料进行表面处理和涂敷玻璃润滑剂、模具型腔涂敷石墨润滑剂、再进行挤压共2～8次，获得微米晶钛镍钯合金块材。
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