專利名稱：微米細晶鈦鎳-鈮形狀記憶合金塊材制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微米細晶鈦鎳-鈮(TiNi-Nb)形狀記憶合金塊材制備方法，用于獲得提高形狀記憶合金的低溫塑性、強度及形狀記憶性能的鈦鎳-鈮合金塊材，進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年代初問世以來，受到材料界的廣泛重視，在民用工業(yè)、航空航天、核工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。TiNi-Nb合金具有很多優(yōu)異性能，如良好的機械性能(比強度高、熱強性好、疲勞強度高)、極高的抗腐蝕性和形狀記憶及超彈性，而且由于TiNi-Nb合金經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨竺黠@增高，可達150℃。是一種寬滯后形狀記憶合金，用其制成的工程連接緊固件可在室溫下儲能，工程應(yīng)用極為方便，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。但因其強度高、低溫塑性差，使其高性能塊材的獲得極為困難。
如何提高材料的塑性是鈦鎳-鈮形狀記憶合金首要解決的問題。實踐證明細小等軸的晶?？筛纳坪辖鸬乃苄宰冃文芰?。常用的合金晶粒細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)時加入各種晶粒細化劑或借助外部能量使枝晶破碎，從而細化鑄造組織，如添加鋯等元素細化晶粒；半固態(tài)成形細化晶粒；鑄造粉末冶金成形；強烈塑性變形方法，諸如壓扭法、等徑彎角擠壓法(Equal Channel Angular Extrusion，以下簡稱ECAE)等，都被用來制備細晶材料。前三種方法均為鑄造成型，晶粒細化效果不明顯。塑性變形方法可以制備出細晶材料，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，而等徑彎角擠壓法則能制備出比較大的塊狀細晶材料。
ECAE工藝原理及方法對具有良好塑性的鎂、鋁基合金的晶粒細化已有諸多報道，但對強度高、塑性差的金屬合金的晶粒細化卻受到很多因素的制約。S.L.Semiatin，D.P.DeLo等對Ti-6Al-4V非等溫條件下的ECAE表明Equal channelangular extrusion of diffiNblt-to-work alloys Systran NbderalCorporation，Dayton，OH 45432，USA，在非等溫條件下，由于溫度的急劇下降，應(yīng)變速率、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，提供一種微米細晶鈦鎳-鈮形狀記憶合金塊材制備方法，能解決鈦鎳-鈮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))的海綿鈦和99.95％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的鎳板以及工業(yè)純鈮為原料，在真空條件下進行熔煉，制成鈦鎳-鈮合金鑄錠。合金的成分(原子百分?jǐn)?shù))范圍為鈦為45％～50％，鎳為40％～45％，鈮為5％～10％。將鈦鎳-鈮合金塊材切割成坯料，進行表面光潔度處理，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行等徑彎角擠壓，最終獲得強度、塑性等性能良好的鈦鎳-鈮合金塊材。
本發(fā)明的鈦鎳-鈮形狀記憶合金制備方法具體為將原料按原子百分比鈦為45％～50％，鎳為40％～45％，鈮為5％～10％配好，在真空條件下進行熔煉，制成鈦鎳-鈮合金鑄錠。將鑄錠在800℃～900℃退火，保溫4～5小時，將塊狀鈦鎳-鈮合金鑄錠線切割成坯料，對坯料進行表面處理，達到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行表面清洗，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潤滑劑，涂層要均勻，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，若出現(xiàn)落涂、劃痕、剝落等缺陷，應(yīng)進行補涂或洗去重涂。
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℃的加熱爐中進行加熱，達到溫度后保溫1～1.5小時；將另外一個加熱爐加熱到850℃～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850℃～950℃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，在液壓萬能試驗機上對坯料進行擠壓，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、再進行擠壓共2～8次，即可獲得微米晶鈦鎳-鈮合金塊材，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，其特點是使試樣在變形前后尺寸不變，處理簡單，成才率高，并可實現(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行；潤滑處理工藝方法簡單，成本低，經(jīng)實際操作后，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行等徑彎角擠壓，可防止晶粒長大，有利于形成細小的鈦鎳-鈮微米晶，最終獲得強度、塑性等性能良好的鈦鎳-鈮合金塊材。
本發(fā)明可以解決鈦鎳-鈮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。
具體實施例方式以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述。
實施例1將原料按原子百分比鈦為50％，鎳為40％，鈮為10％配備好，在氬氣保護下采用冷壁鈮坩堝真空磁懸浮感應(yīng)法熔煉，制成鈦鎳-鈮合金鑄錠，每個錠的質(zhì)量約90克。將鑄錠在850℃退火，保溫4小時。將鈦鎳-鈮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行表面處理，達到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)進行補涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為120度模具進行表面和型腔清洗，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℃的加熱爐中進行加熱，達到溫度后保溫1小時；將另外一個加熱爐加熱到850℃，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850℃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，在液壓萬能試驗機上立即進行擠壓，將擠壓出來的坯料再進行表面處理等進行2次擠壓，即可獲得微米晶鈦鎳-鈮合金塊材。
實施例2將原料按原子百分比鈦為47％，鎳為44％，鈮為9％配備好，在真空條件下進行熔煉，制成鈦鎳-鈮合金鑄錠。將鑄錠在800℃退火，保溫5小時。將鈦鎳-鈮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行表面處理，達到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行表面清洗，將毛坯置于干凈的不銹鋼托盤上，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)進行補涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為90度模具進行表面和型腔清洗，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℃的加熱爐中進行加熱，達到溫度后保溫1小時；將另外一個加熱爐加熱到900℃，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900℃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，在液壓萬能試驗機上立即進行擠壓，將擠壓出來的坯料再進行表面處理等進行4次擠壓，即可獲得微米晶鈦鎳-鈮合金塊材。
實施例3將原料按原子百分比鈦為50％，鎳為45％，鈮為5％配備好，在真空條件下進行熔煉，制成鈦鎳-鈮合金鑄錠。將鑄錠在900℃退火，保溫4.5小時。將鈦鎳-鈮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行表面處理，達到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)進行補涂或洗去重涂。用丙酮對擠壓角度為90度模具進行表面和型腔清洗，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℃的加熱爐中進行加熱，達到溫度后保溫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950℃的加熱爐中，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，在液壓萬能試驗機上立即進行擠壓，將擠壓出來的坯料再進行表面處理等進行4次擠壓，即可獲得微米晶鈦鎳-鈮合金塊材。
權(quán)利要求
1.一種微米細晶鈦鎳—鈮形狀記憶合金塊材制備方法，其特征在于將原子百分比為45％～50％的鈦，40％～45％的鎳，5％～10％的鈮，在真空條件下熔煉，制成鈦鎳—鈮合金鑄錠，將鑄錠在800℃～900℃退火，保溫4～5小時，然后切割成坯料并進行表面光潔度處理，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850℃～950℃，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，在液壓萬能試驗機上對坯料進行擠壓，重復(fù)對擠壓出的坯料進行表面處理和涂敷玻璃潤滑劑、模具型腔涂敷石墨潤滑劑、再進行擠壓共2～8次，獲得微米晶鈦鎳—鈮合金塊材。
全文摘要
一種微米細晶鈦鎳－鈮形狀記憶合金塊材制備方法，將原子百分比為45％～50％的鈦，40％～45％的鎳，5％～10％的鈮，在真空條件下熔煉，制成鈦鎳－鈮合金鑄錠，將鈦鎳－鈮合金塊材切割成坯料，進行表面光潔度處理，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行等徑彎角擠壓，最終獲得強度、塑性等性能良好的鈦鎳－鈮合金塊材。本發(fā)明可以解決鈦鎳－鈮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C22F1/18GK1528930SQ20031010793
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者程先華, 謝超英, 向國權(quán) 申請人:上海交通大學(xué)