專利名稱：微米晶鈦鎳鈀基高溫形狀記憶合金制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微米晶鈦鎳鈀(TiPd-Ni)基高溫形狀記憶合金制備方法，采用等徑彎角擠壓方法制備提高高溫形狀記憶合金的低溫塑性、強(qiáng)度及高溫形狀記憶性能的鈦鎳鈀合金塊材，進(jìn)而提高該形狀記憶合金在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及民用工業(yè)等領(lǐng)域的實(shí)際工程應(yīng)用價值。屬于金屬材料及冶金類技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金自70年代問世以來，其呈現(xiàn)出的形狀記憶效應(yīng)和超彈性現(xiàn)象受到了材料界的廣泛重視。在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、民用工業(yè)等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并具有更廣闊的應(yīng)用前景。目前，已獲得廣泛應(yīng)用的形狀記憶合金主要是TiNi基合金及Cu基合金(Cu-Zn-Al)，這兩類合金的馬氏體相變溫度均不高，一般不超過100℃。但在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中，作為感知與驅(qū)動的形狀記憶合金元件，其工作環(huán)境溫度往往遠(yuǎn)高于100℃。因此，TiNi基合金及Cu基合金(Cu-Zn-Al)的應(yīng)用受到限制。近年來，高溫形狀記憶合金的研究開發(fā)一直受到國際材料界的廣泛重視。相繼開發(fā)出馬氏體相變溫度在100℃以上的形狀記憶合金系列多種，如Cu基、TiNi-Zr(Hf)、NiAl基、TiPd基合金等。其中，Cu基極易發(fā)生高溫分解，母相結(jié)構(gòu)難以保持穩(wěn)定，不宜選作高溫形狀記憶合金；NiAl基合金晶界脆性極為嚴(yán)重，二元多晶NiAl合金室溫塑性幾乎為零[GeorgeEP，Liu CT，etal，Mater.Charac.，(1994)32139]；TiNi合金加入Zr、Hf可使馬氏體相變溫度顯著提高，但TiNi-Zr(Hf)極易析出脆性相[Mulder J H，Maas J H，Beyer J，Proc.ICOMAT-92，Monterey，1992，869]，使合金塑性惡化；目前，TiPd基合金被認(rèn)為是最有希望的高溫形狀記憶合金。但二元TiPd合金或金屬間化合物具有很高的Ms點(diǎn)，由于其脆化問題，TiPd-Ni基合金的室溫拉伸極限延伸率僅為8％，微合金化后(加入微量合金元素B)雖提高至16％，仍并非理想，難以滿足工程加工塑性要求，有待進(jìn)一步提高。
因此，如何提高材料的塑性是TiPd-Ni基合金首要解決的問題。實(shí)踐證明細(xì)小等軸的晶粒可改善合金的塑性變形能力，常用的合金晶粒細(xì)化工藝一般分為四種鄭來蘇.鑄造合金及熔煉〔M〕.西安西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994液態(tài)時加入各種晶粒細(xì)化劑或借助外部能量使枝晶破碎，從而細(xì)化鑄造組織，如添加鋯等元素細(xì)化晶粒；半固態(tài)成形細(xì)化晶粒；鑄造粉末冶金成形；強(qiáng)烈塑性變形方法，諸如壓扭法、等徑彎角擠壓法(Equal Channel Angular Extrusion，簡稱ECAE)等，都被用來制備細(xì)晶材料。前三種方法均為鑄造成型，晶粒細(xì)化效果不明顯。塑性變形方法可以制備出塊狀細(xì)晶材料，但是，為了獲得比較大的應(yīng)變量，壓扭法只能制備出非常薄的片狀材料，而等通道轉(zhuǎn)角擠壓法則能制備出比較大的塊狀細(xì)晶材料。
等徑彎角擠壓工藝原理及方法對具有良好塑性的鎂、鋁基合金的晶粒細(xì)化已有諸多報道，但對強(qiáng)度高、塑性差的金屬合金的晶粒細(xì)化卻受到很多因素的制約。S.L.Semiatin，D.P.DeLo等對工業(yè)純鈦(CP Ti)、Ti-6Al-4V的等徑彎角擠壓表明Equal channel angular extrusion of difficult-to-work alloys SystranFederal Corporation，Dayton，OH 45432，USA，在非等溫條件下，由于溫度的急劇下降，潤滑條件不適當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，?jīng)等徑彎角擠壓后的坯料均出現(xiàn)不同程度的斷裂，因而不能夠得到大塊體細(xì)晶材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微米晶鈦鎳鈀基高溫形狀記憶合金制備方法，解決鈦鎳鈀基形狀記憶合金室溫塑性差的問題，提高其力學(xué)性能，同時降低高溫形狀記憶合金處理的成本，提高其成材率。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明選用純度分別為99.95％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的海綿鈦、99.95％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的鈀板和99.95％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的鎳板為原料，在真空條件下進(jìn)行熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠。合金的成分(原子百分?jǐn)?shù))范圍為鈦為48％～52％，鈀為0％～42％，鎳為10％～50％；將鈦鎳鈀合金塊材切割成坯料，進(jìn)行表面光潔度處理，并涂敷玻璃潤滑劑。模具采用擠壓通道角度為90～120°的等徑彎角擠壓模具，模具型腔表面涂敷石墨潤滑劑。將坯料、模具分別加熱保溫，并同時從加熱爐中取出進(jìn)行等徑彎角擠壓，最終獲得強(qiáng)度、塑性等性能均良好的鈦鎳鈀基合金塊材。
本發(fā)明的鈦鎳鈀基高溫形狀記憶合金制備方法具體為將原料按原子百分比鈦48％～52％，鈀0％～42％，鎳10％～50％配備好，在真空條件下進(jìn)行熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠。將塊狀鈦鎳鈀合金切割成坯料，用電火花線切割法對坯料進(jìn)行表面處理，達(dá)到4級以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度應(yīng)不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮對毛坯表面進(jìn)行表面清洗，將毛坯置于干凈的不銹鋼托盤上，在60℃～100℃的溫度下預(yù)熱20～60分鐘，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防護(hù)潤滑劑，涂層要均勻，涂層厚度約為0.2～0.4mm。毛坯涂敷后在60℃～100℃的溫度下烘干20～60分鐘，若出現(xiàn)落涂、劃痕、剝落等缺陷，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)涂或洗去重涂。
本發(fā)明采用等徑彎角擠壓模具，模具的擠壓通道角度為90～120°。用丙酮對模具進(jìn)行表面和型腔清洗，在60℃～100℃的溫度下預(yù)熱1～1.5小時，然后涂敷石墨潤滑劑，涂層厚度要均勻。
將涂好石墨潤滑劑的模具放在300℃～600℃的加熱爐中進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度后保溫1～1.5小時；將另外一個加熱爐加熱到880℃～980℃，將準(zhǔn)備好的坯料置于石棉瓦上，放入此加熱爐中，待溫度升到880℃～980℃后，保溫15～30分鐘。將加熱好的坯料和模具同時取出，然后迅速將坯料放入模具中，在300KN液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上對坯料進(jìn)行擠壓，擠壓開始溫度≥750℃，擠壓終了溫度≥600℃。重復(fù)對擠壓出的坯料進(jìn)行表面處理和涂敷玻璃潤滑劑、模具型腔涂敷石墨潤滑劑、再進(jìn)行擠壓共2～8次，即可獲得微米晶鈦鎳鈀合金塊材，其微觀晶粒平均尺寸為0.2～0.6μm。
本發(fā)明采用等徑彎角擠壓工藝，其特點(diǎn)是使試樣在變形前后尺寸不變，處理簡單，成材率高，并可實(shí)現(xiàn)大工件加工。擠壓前對模具型腔及待擠壓的坯料分別進(jìn)行不同的潤滑處理，既可以有效的阻止高溫坯料的急劇溫降，同時可顯著的降低坯料和模具工作表面間的滑動摩擦阻力，從而有效地提高合金材料的流動均勻性，保證擠壓過程的順利進(jìn)行；潤滑處理工藝方法簡單，成本低，經(jīng)實(shí)際操作后，坯料與模具自行脫落，沒有相互粘結(jié)在一起，工藝性好。坯料端部弧度及坯料表面光潔度的確定，有利于坯料在擠壓過程中減少摩擦，提高坯料的塑性流動的均勻性。坯料、模具加熱時間和保溫時間的確定以及將加熱好的坯料和模具同時從加熱爐中取出進(jìn)行等徑彎角擠壓，可防止晶粒長大，有利于形成細(xì)小的鈦鎳鈀微米晶，最終獲得強(qiáng)度、塑性等性能良好的鈦鎳鈀合金塊材。
本發(fā)明可以解決鈦鎳鈀高溫形狀記憶合金室溫塑性差的問題，提高其力學(xué)性能，同時降低高溫形狀記憶合金處理的成本，提高其成材率。
具體實(shí)施例方式以下通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例1將原料按原子百分比鈦50％，鈀20％，鎳30％配備好，在氬氣保護(hù)下采用冷壁銅坩堝真空磁懸浮感應(yīng)法熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠，每個錠的質(zhì)量約90克。將鈦鎳鈀合金塊材線切割成橫截面為9.3×9.3mm，長度為87mm的坯料，用電火花線切割法對坯料進(jìn)行表面處理，達(dá)到4級以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度應(yīng)不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮對毛坯表面進(jìn)行表面清洗，將毛坯置于干凈的不銹鋼托盤上，在80℃的溫度下預(yù)熱30分鐘，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防護(hù)潤滑劑，涂層要均勻，涂層厚度約為0.2mm，涂敷后毛坯在90℃的溫度下烘干20分鐘，若出現(xiàn)落涂、劃痕、剝落等缺陷，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為120度模具進(jìn)行表面和型腔清洗，在80℃的溫度下預(yù)熱1小時，然后涂敷石墨潤滑劑，涂層要均勻。
將涂好石墨潤滑劑的模具放在300℃的加熱爐中進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度后保溫1小時；將另外一個加熱爐加熱到880℃，將準(zhǔn)備好的坯料置于石棉瓦上，放入此加熱爐中，待溫度升到880℃后，保溫20分鐘。將加熱好的坯料和模具同時取出，然后迅速將坯料放入模具中，在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上立即進(jìn)行擠壓，將擠壓出來的坯料再進(jìn)行表面處理等進(jìn)行2次擠壓，即可獲得微米晶鈦鎳鈀合金塊材。鈦鎳鈀合金塊材的晶粒細(xì)化至微米級，強(qiáng)度、塑性等性能均有顯著提高。
實(shí)施例2將原料按原子百分比鈦50％，鈀30％，鎳20％配備好，在真空條件下進(jìn)行熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠。將鈦鎳鈀合金塊材線切割成橫截面為9.3×9.3mm，長度為87mm的坯料，用電火花線切割法對坯料進(jìn)行表面處理，達(dá)到4級以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮對毛坯表面進(jìn)行表面清洗，將毛坯置于不銹鋼托盤上，在65℃的溫度下預(yù)熱50分鐘，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防護(hù)潤滑劑，涂層要均勻，涂層厚度約為0.3mm，涂敷后毛坯在90℃的溫度下烘干20分鐘，若出現(xiàn)落涂、劃痕、剝落等缺陷，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為90度模具進(jìn)行表面和型腔清洗，在60℃的溫度下預(yù)熱1.5小時，然后涂敷石墨潤滑劑，涂層要均勻。
將涂好石墨潤滑劑的模具放在400℃的加熱爐中進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度后保溫1小時；將另外一個加熱爐加熱到950℃，將準(zhǔn)備好的坯料置于石棉瓦上，放入此加熱爐中，待溫度升到950℃后，保溫20分鐘。將加熱好的坯料和模具同時取出，然后迅速將坯料放入模具中，在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上立即進(jìn)行擠壓，將擠壓出來的坯料再進(jìn)行表面處理等進(jìn)行4次擠壓，即可獲得強(qiáng)度、塑性等性能良好的微米晶鈦鎳鈀合金塊材。
實(shí)施例3將原料按原子百分比鈦50％，鎳50％配備好，在真空條件下進(jìn)行熔煉，制成鈦鎳合金鑄錠。將鈦鎳合金塊材線切割成橫截面為9.3×9.3mm，長度為87mm的坯料，用電火花線切割法對坯料進(jìn)行表面處理，達(dá)到4級以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度應(yīng)不低于Ra＝1.25～2.5μm。用丙酮對毛坯表面進(jìn)行表面清洗，將毛坯置于干凈的不銹鋼托盤上，在100℃的溫度下預(yù)熱20分鐘，然后采用浸涂的方法在毛坯表面涂敷玻璃防護(hù)潤滑劑，涂層要均勻，涂層厚度約為0.4mm，涂敷后毛坯在90℃的溫度下烘干30分鐘，若出現(xiàn)落涂、劃痕、剝落等缺陷，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為90度模具進(jìn)行表面和型腔清洗，在90℃的溫度下預(yù)熱1小時，然后涂敷石墨潤滑劑，涂層要均勻。
將涂好石墨潤滑劑的模具放在550℃的加熱爐中進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度后保溫1小時；將準(zhǔn)備好的坯料置于石棉瓦上，放入另外一個加熱到970℃的加熱爐中，待溫度升到970℃后，保溫20分鐘。將加熱好的坯料和模具同時取出，然后迅速將坯料放入模具中，在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上立即進(jìn)行擠壓，將擠壓出來的坯料再進(jìn)行表面處理等進(jìn)行4次擠壓，即可獲得強(qiáng)度、塑性等性能均有明顯提高的微米晶鈦鎳合金塊材。
權(quán)利要求
1.一種微米晶鈦鎳鈀基高溫形狀記憶合金制備方法，其特征在于將原子百分比為48％～52％的鈦，0％～42％的鈀，10％～50％的鎳在真空條件下熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠，然后切割成坯料并進(jìn)行表面光潔度處理，清洗后將毛坯在60℃～100℃的溫度下預(yù)熱20～60分鐘，然后在毛坯表面均勻涂敷玻璃防護(hù)潤滑劑，涂層厚度為0.2～0.4mm，涂敷后毛坯在60℃～100℃的溫度下烘干20～60分鐘；采用擠壓通道角度為90～120°的等徑彎角擠壓模具，用丙酮對模具進(jìn)行表面和型腔清洗，在60℃～100℃的溫度下預(yù)熱1～1.5小時后均勻涂敷石墨潤滑劑，然后將模具放在300℃～600℃的加熱爐中加熱并保溫1～1.5小時，將另外一個加熱爐加熱到880℃～980℃，將準(zhǔn)備好的坯料放入此加熱爐中加熱并保溫15～30分鐘，然后將加熱好的坯料和模具同時取出，并迅速將坯料放入模具中，在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上對坯料進(jìn)行擠壓，擠壓開始溫度≥750℃，擠壓終了溫度≥600℃，重復(fù)對擠壓出的坯料進(jìn)行表面處理和涂敷玻璃潤滑劑、模具型腔涂敷石墨潤滑劑、再進(jìn)行擠壓共2～8次，獲得微米晶鈦鎳鈀合金塊材。
全文摘要
一種微米晶鈦鎳鈀基高溫形狀記憶合金制備方法，將原子百分比為48％～52％的鈦，0％～42％的鈀，10％～50％的鎳在真空條件下熔煉，制成鈦鎳鈀合金鑄錠，將鈦鎳鈀合金塊材切割成坯料，進(jìn)行表面光潔度處理，并涂敷玻璃潤滑劑，采用擠壓通道角度為90～120°的等徑彎角擠壓模具，模具型腔表面涂敷石墨潤滑劑，將坯料、模具分別加熱保溫，并同時從加熱爐中取出進(jìn)行等徑彎角擠壓，最終獲得強(qiáng)度、塑性等性能良好的鈦鎳鈀合金塊材。本發(fā)明可以解決鈦鎳鈀高溫形狀記憶合金室溫塑性差的問題，提高合金力學(xué)性能，同時降低合金處理成本，提高其成材率。
文檔編號C22F1/18GK1528941SQ03151239
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月26日
發(fā)明者程先華, 謝超英, 李振華, 向國權(quán) 申請人:上海交通大學(xué)