CN1644728A - 冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法。采用塑性好,变形容易的Al箔、CuNiMn合金箔为原材料,根据设计的成分确定箔的厚度,将金属箔交互重叠放置,大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构,根据需要,可以将冷轧后的超薄叠层对折后再冷轧,如此反复,最后进行扩散退火合金化,获得成分均匀的合金薄膜。CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的组成元素含量分别满足(重量百分比):Al 11.5~14.5%,Ni 0~5%,Mn 0~3%,余量为铜。用该方法制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜具有成分容易控制,晶粒细小,疲劳寿命高,面积大和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆合金领域,具体涉及一种冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法。用该方法制备的薄膜具有生产工艺简单,成分容易控制,力学性能高的优点。
技术背景
CuAlNi形状记忆合金不仅具有价格低廉,而且比CuZnAl合金具有更好的时效稳定性和热稳定性,与NiTi和CuZnAl基形状记忆合金相比,CuNiAl合金还能在200℃的条件下使用。NiTi和CuZnAl基形状记忆合金Ms点一般不高于100℃,因而只能在低于100℃的条件下使用。而在实际应用中的许多场合,如火灾或过热情形的预警及自动防护系统、卫星发射塔、火箭发动机、电流过载保护器等装置中都需要在150℃以上温度使用的形状记忆合金,特别是在核反应堆工程中,要求记忆合金热敏驱动器的动作温度高达600℃。所以,具有高相变点的高温形状记忆合金的研制和开发颇具工程应用前景。CuAlNi形状记忆合金本该具有广泛应用的优势,但由于电子化合物γ2相的析出,使得合金的延展性变差,冷加工困难。另一方面,CuAlNi基合金的晶粒粗大,再加上弹性各向异性因子达到15,容易产生应力集中,因而使用过程中容易断裂,疲劳寿命低,这些缺点严重妨碍了CuAlNi基合金的工业应用。
为了提高CuAlNi合金的力学性能,人们通过加入B、Ti、V等合金元素来细化晶粒,使CuAlNi基合金的晶粒从毫米级细化到了几十微米,显著提高了合金的力学性能和使用寿命。通过加入Ni或Mn能抑制γ2相的析出,允许更高含量的Al,同时改善合金的加工性能。但由于CuAlNiMn合金的弹性各向异性因子高,细化后合金的冷加工仍然困难,通过冷轧的方法难以获得薄膜。而薄膜驱动元件将是形状记忆合金应用的一个主要领域。
这是因为形状记忆合金的驱动受热激励,因此块体形状记忆合金的响应频率低,仅1HZ,比压电材料、磁致伸缩材料等其他驱动材料要低几个数量级。为了提高形状记忆合金的响应频率,必须采用比表面积大,散热能力强的薄膜。为了制备CuAlNi基合金薄膜,人们采用了快速凝固的方法。这种方法虽然能获得厚度小于100μm的Cu-Al-Ni合金薄膜的,但薄膜受到宽度的限制,不适合工业生产。最近发展的冷轧超薄叠层合金化制备合金薄膜的方法,使得我们能采用常规的轧制设备,低成本大面积制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。
冷轧超薄叠层合金化的方法采用塑性好,变形容易的纯金属或合金箔为原材料,按设计的成分配比确定箔的厚度,将金属箔交互重叠放置,大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构,根据需要,可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧,如此反复,最后进行扩散退火合金化,获得成分均匀的合金薄膜。其生产工艺流程见附图所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用常规的轧制设备,通过冷轧超薄叠层合金化的方法,低成本制备大面积CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。
CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的组成元素含量分别满足(重量百分比):Al 11.5~14.5%,Ni 0~5%,Mn 0~3%,余量为铜。
冷轧超薄叠层合金化制备大面积CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法:根据设计的成分,以铝薄,铜镍锰合金箔为原材料,交互重叠放置,大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构,根据需要,可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧,如此反复。最后在773K~923K的温度范围内保温进行扩散退火,获得成分均匀的合金薄膜。为了使扩薄膜具有形状记忆效应,合金化后的薄膜还需进行973K以上的固溶加淬火的β化处理。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1)首次采用冷轧合金化法制备了CuAlNiMn形状记忆合金薄膜,解决了CuAlNi合金晶粒粗大、易脆断,难以加工的问题。其制备的薄膜具有较好的形状记忆效应和塑性,可以满足作为驱动材料的要求。
2)能制备大面积的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜。采用熔体快淬和溅射法只能制备小面积的薄膜,而采用冷轧超薄叠层合金化的方法,能制取宽度大于50mm、长几米到几十米的薄膜,适合大规模工业生产。
3)制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜疲劳寿命高。采用冷轧超薄叠层合金化制备的CuAlNiMn合金薄膜晶粒细小,仅几个μm,比目前合金的晶粒低1~2个数量级,因此具有很高的疲劳寿命。
4)所制备的薄膜具有低成本高性能的特点。由于组元具有良好的冷变形能力,因此利用现有的冷轧设备就可生产,不需要昂故的特殊设备,所以成本较低。具有很强的市场竞争力。
附图说明
本发明冷轧超薄叠层合金化制备CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的加工路线示意图。
具体实施方式
实施例1
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 14.5%,Ni 5%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.178mm的Cu-5.85Ni(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以64%的变形量冷轧到1.000mm,然后再冷轧到0.060mm,将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.060mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于873K下保温40小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到973K,保温0.5小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为141K,在液氮温度下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
实施例2
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 13%,Ni 4%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.200mm的Cu-4.65Ni(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以67%的变形量冷轧到1.000mm,然后再冷轧到0.080mm。将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.080mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于900K下保温30小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1073K,保温0.3小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为406K,在室温下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
实施例3
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 12%,Ni 5%,Mn 2%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.220mm的Cu-5.58Ni-2.27Mn(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以50%的变形量冷轧到1.600mm,然后再冷轧到0.100mm。将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.100mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1173K,保温0.25小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为434K,在室温下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
实施例4
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 11.5%,Ni 5%,Mn 2%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.232mm的Cu-5.65Ni-2.26Mn(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以64%的变形量冷轧到1.200mm,然后再冷轧到0.080mm。将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.080mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1223K,保温0.2小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为496K,在室温下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
实施例5
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 12%,Mn 2%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.220mm的Cu-2.27Mn(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以69%的变形量冷轧到1.000mm,然后再冷轧到0.060mm。将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.060mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1173K,保温0.25小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为486K,在室温下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
实施例6
根据设计的成分配方(重量百分比):Al 11.5%,Mn 3%,余量为铜。采用厚度为0.100mm的Al箔,0.232mm的Cu-3.39Mn(重量百分比)合金箔为原材料,交互重叠放置10层。首先以61%的变形量冷轧到1.200mm,然后再冷轧到0.100mm。将冷轧的薄膜对折重叠,再冷轧到0.100mm,如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时,进行扩散合金化。合金化后的薄膜再加热到1223K,保温0.2小时水淬,电阻法测定合金的Ms点为513K,在室温下弯曲6%,加热后形状完全恢复。
Claims (7)
1、一种冷轧超薄叠层合金化制备的CuAlNiMn形状记忆合金薄膜,其特征在于组成元素含量分别满足(重量百分比):Al 11.5~14.5%,Ni 0~5%,Mn0~3%,余量为铜。
2、一种制备权利要求1所述CuAlNiMn形状记忆合金薄膜的方法,是以纯金属Al箔,CuNiMn合金箔为原材料,根据设计的成分确定箔的厚度。将金属箔交互重叠放置,大变形冷轧复合,根据需要,可以将冷轧复合的超薄叠层对折后再大变形冷轧,如此反复,获得所需要的厚度,最后将冷轧复合的超薄叠层薄膜,在773K~923K温度范围进行保温,扩散退火合金化,获得成分均匀的合金薄膜。为了使薄膜具有形状记忆效应,合金化后的薄膜还需进行973K以上的固溶加淬火的β化处理。
3、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法,其特征在于组成元素含量分别满足(重量百分比):Al 11.5~14.5%,Ni 0~5%,Mn 0~3%,余量为铜。
4、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法,其特征在于冷轧复合时变形量为50%~99%。
5、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法,其特征在于以纯金属Al箔,CuNiMn合金箔为原材料。
6、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法,其特征在于扩散退火的温度为873K~923K,保温时间为20~40小时。
7、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法,其特征在于β化处理的温度为973K~1123K,保温时间为0.2~0.5小时。
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