專利名稱：一種鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈷鎳鐵鎵(Co46Ni25-xFexGa29)形狀記憶合金材料，通過(guò)添加Fe元素替代部分Ni元素來(lái)改變和控制Co46Ni25-xFexGa29的相變溫度，且使Co46Ni25-xFexGa29的γ相含量控制在5～15％的范圍內(nèi)，從而在保證Co46Ni25-xFexGa29具有較高的形狀記憶性能的前提下兼具較好的塑性。
背景技術(shù)：
一般將逆馬氏體相變溫度(驅(qū)動(dòng)溫度)高于200℃的形狀記憶合金稱為高溫形狀記憶合金，這類材料因其形狀記憶效應(yīng)和較高的相變溫度在航空航天、消防、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
三元CoNiGa系合金是具有較好綜合性能的高溫形狀記憶合金，其馬氏體及逆馬氏體相變溫度隨成分不同在很大范圍內(nèi)變化，其單晶材料具有較好的形狀記憶性能及超彈性能，并且成本相對(duì)低廉，雖然該合金多晶材料比NiMnGa脆性小，但其仍難于加工變形，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。
吳光恒(G.H.Wu)等人在2005年9月8日的應(yīng)用物理學(xué)報(bào)(APPLIED PHYSICSLETTERS)上公開了Co50Ni22Ga28:Fex，且X的取值為0，1.5，2，2.5的合金的超彈性能(Superelasticity of CoNiGaFe single crystals)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料，通過(guò)在三元CoNiGa系合金中添加一定量的Fe元素替代Ni元素來(lái)調(diào)節(jié)Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金的馬氏體相變溫度及力學(xué)性能。保證其具有較高的形狀記憶性能的前提下兼具較好的塑性。
本發(fā)明是一種化學(xué)式為Co46Ni25-xFexGa29的形狀記憶合金材料，其中X的原子百分比為1～6。
本發(fā)明制備Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料的方法有如下步驟步驟一稱量配比按Co46Ni25-xFexGa29的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鈷(Co)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鐵(Fe)和純度為99.99％的鎵(Ga)塊材；步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鈷、鎳、鐵、鎵塊材放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然后在1600～2000℃下反復(fù)熔煉原料3～5遍以使成分均勻，制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材；然后，將上述Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材在1600～2000℃下熔化后直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內(nèi)，凝固制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金鑄棒；步驟三均勻化處理將上述Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材和鑄棒分別放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度1000～1150℃下保溫10～24小時(shí)后，水中淬火；即得到Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料。
以三元CoNiGa合金為基礎(chǔ)，通過(guò)添加Fe元素替代部分Ni元素可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金的逆馬氏體相變溫度，提高了γ相含量，增加合金塑性，從而制成具有較好記憶效應(yīng)和力學(xué)性能的Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金。本發(fā)明這種合金的具有如下優(yōu)點(diǎn)與目前具有最好性能的TiNiPd系高溫形狀記憶合金相比，其價(jià)格具有明顯優(yōu)勢(shì)；而與不含F(xiàn)e的三元CoNiGa合金相比，其塑性明顯提高1～2.5倍。本發(fā)明Co46Ni25-xFexGa29合金逆馬氏體相變溫度在260～390℃；室溫下屈服強(qiáng)度350～410MPa，壓縮變形率18～30％，形狀記憶效應(yīng)3.5～4.6％。


圖1是Co46Ni23Fe2Ga29合金DSC圖。
圖2是Co46Ni23Fe2Ga29合金室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變圖。
圖3是Co46Ni25Ga29合金DSC圖。
圖4是Co46Ni25Ga29合金室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變圖。
圖5是Co46Ni23Fe2Ga29合金微觀組織形貌圖。
圖6是Co46Ni25Ga29合金微觀組織形貌圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種化學(xué)式為Co46Ni25-xFexGa29的形狀記憶合金材料，其中X原子百分比為1～6。
本發(fā)明制備一種Co46Ni25-xFexGa29的形狀記憶合金材料的方法有如下步驟步驟一稱量配比按Co46Ni25-xFexGa29的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鈷(Co)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鐵(Fe)和純度為99.99％的鎵(Ga)塊材；步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鈷、鎳、鐵、鎵塊材放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然后在1600～2000℃下反復(fù)熔煉原料3～5遍以使成分均勻，制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材；然后將上述Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材在1600～2000℃下熔化后，直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內(nèi)，凝固制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金鑄棒；步驟三均勻化處理將上述Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材和鑄棒分別放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度1000～1150℃下保溫10～24小時(shí)后，水中淬火；即得到Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量馬氏體相變溫度；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX51M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，并直接照相；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫。壓縮到不同預(yù)應(yīng)變后，加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，冷卻到室溫后測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，即為形狀記憶效應(yīng)。
本發(fā)明的Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料與三元CoNiGa合金材料相比，逆馬氏體相變溫度在260～390℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，且具有比較好的塑性和形狀記憶性能。
實(shí)施例1制50g Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金材料步驟一稱量配比按Co46Ni23Fe2Ga29原子比稱取純度為99.9％的鈷21.9克、純度為99.9％的鎳10.9克、純度為99.9％的鐵0.9克和純度為99.99％的鎵16.3克塊材。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵塊材放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至3×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa。
然后在1800℃下反復(fù)熔煉原料4遍以使成分均勻，制成Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金錠材；將上述錠材在1800℃下熔化后直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內(nèi)；制成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金錠材和鑄棒分別放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，真空度3×10-3Pa；在溫度1050℃下保溫20小時(shí)后，水中淬火；即得到Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量馬氏體相變溫度(如圖1所示)；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX51M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，并直接照相(如圖5所示)；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫(如圖2所示)。壓縮到不同預(yù)應(yīng)變后，加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，冷卻到室溫后測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，即為形狀記憶效應(yīng)。
為了驗(yàn)證本發(fā)明Co46Ni23Fe2Ga29合金材料具有較好的塑性，本發(fā)明人采用與實(shí)施例1相同的工藝條件制備出50g Co46Ni25Ga29合金材料，其性能參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表一所示，馬氏體相變溫度參見(jiàn)圖3所示，室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變參見(jiàn)圖4所示，微觀形貌參見(jiàn)圖6所示。
表一本Co46Ni23Fe2Ga29合金與Co46Ni25Ga29合金的各項(xiàng)性能參數(shù)

本發(fā)明Co46Ni23Fe2Ga29合金材料屈服強(qiáng)度和塑性比Co46Ni25Ga29合金材料有所提高。通過(guò)添加Fe元素可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金的馬氏體相變溫度，并可以控制γ相的含量，增加合金塑性，從而制成具有較好記憶效應(yīng)和力學(xué)性能的Co46Ni23Fe2Ga29形狀記憶合金。
實(shí)施例2制50g Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金材料步驟一稱量配比按Co46Ni19Fe6Ga29原子比稱取純度為99.9％的鈷21.9克、純度為99.9％的鎳9.0克、純度為99.9％的鐵2.7克和純度為99.99％的鎵16.3克塊材。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵塊材放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然后在2000℃下反復(fù)熔煉原料5遍以使成分均勻，制成Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金錠材；然后將上述Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金錠材在2000℃下熔化后，直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內(nèi)；制成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，真空度3×10-3Pa；在溫度1150℃下保溫15小時(shí)后，水中淬火；即得到Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Co46Ni19Fe6Ga29形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量馬氏體相變溫度；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX51M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，并直接照相；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮應(yīng)力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫。壓縮到不同預(yù)應(yīng)變后，加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，冷卻到室溫后測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，即為形狀記憶效應(yīng)。
表二制備不同組份合金的工藝條件及性能參數(shù)(其中棒材與錠材的均化條件相同，故省略)

注真空度單位10-3Pa，溫度單位℃，時(shí)間單位小時(shí)。
本發(fā)明Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料，通過(guò)在三元CoNiGa系合金中添加一定量的Fe元素替代Ni元素來(lái)調(diào)節(jié)Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金的馬氏體相變溫度及力學(xué)性能。以高相變點(diǎn)的低Co三元CoNiGa合金為基礎(chǔ)，通過(guò)添加Fe元素替代部分Ni元素可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金的逆馬氏體相變溫度，提高了γ相含量，增加合金塑性，從而制成具有較好記憶效應(yīng)和力學(xué)性能的Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金。本發(fā)明合金與目前具有最好性能的TiNiPd系高溫形狀記憶合金相比，其價(jià)格具有明顯優(yōu)勢(shì)；而與不含F(xiàn)e的三元CoNiGa合金相比，其塑性明顯提高1～2.5倍。本發(fā)明Co46Ni25-xFexGa29合金逆馬氏體相變溫度在260～390℃；室溫下屈服強(qiáng)度350～410MPa，壓縮變形率18～30％，形狀記憶效應(yīng)3.5～4.6％。
權(quán)利要求
1.一種鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特征在于化學(xué)式為Co46Ni25-xFexGa29的形狀記憶合金材料，其中X的原子百分比為1～6。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特征在于形狀記憶合金的化學(xué)式為Co46Ni23Fe2Ga29或Co46Ni19Fe6Ga29或Co46Ni21Fe4Ga29。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特征在于合金逆馬氏體相變溫度在260～390℃；室溫下屈服強(qiáng)度350～410MPa，壓縮變形率18～30％，形狀記憶效應(yīng)3.5～4.6％。
4.制備一種如權(quán)利要求1所述鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料的方法，其特征在于有如下制備步驟步驟一稱量配比按Co46Ni25-xFexGa29的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鈷、純度為99.9％的鎳、純度為99.9％的鐵和純度為99.99％的鎵塊材；步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鈷、鎳、鐵、鎵塊材放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然后在1600～2000℃下反復(fù)熔煉原料3～5遍以使成分均勻，制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材；然后，將Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材在1600～2000℃下熔化后，直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內(nèi)，凝固制成Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金鑄棒；步驟三均勻化處理將上述Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金錠材和鑄棒分別放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度1000～1150℃下保溫10～24小時(shí)后，水中淬火；即得到Co46Ni25-xFexGa29形狀記憶合金材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈷鎳鐵鎵形狀記憶合金材料，其化學(xué)式為Co
文檔編號(hào)C22C1/02GK101078082SQ200710118120
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者李巖, 辛燕, 徐惠彬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)