本發(fā)明屬于合金材料領域，涉及一種提高鈦鎳基形狀記憶合金阻尼性能的氫注入工藝，具體涉及一種向鈦鎳基形狀記憶合金中可控地注入一定含量的氫元素從而大幅度提高其阻尼減震功能的工藝。

背景技術：

阻尼技術的應用，可以有效地減小有害振動和噪音、阻礙振動傳播?；趯\晶缺陷內耗的阻尼合金，以具有易遷動孿晶結構馬氏體的鎳鈦(Ti-Ni)基、銅(Cu)基和錳銅(Mn-Cu)基形狀記憶合金為代表，展現(xiàn)出極好的阻尼-力學綜合性能。其中，鎳鈦材料在馬氏體狀態(tài)下，其阻尼值達到0.05。

目前，鈦鎳基形狀記憶合金的阻尼性能的優(yōu)化主要從合金阻尼機制的深入挖掘和微觀組織調控著手。比如通過合金化的方式，在鈦鎳合金中摻入銅元素，其阻尼值可以達到0.08。近幾年，日本材料科研團隊報道了氫元素對鈦鎳二元形狀記憶合金阻尼性能的影響規(guī)律，研究表明鈦鎳基形狀記憶合金弛豫內耗行為的微觀機制在于氫和孿晶的交互作用，當氫元素被排除記憶合金基體，弛豫峰會消失(1.G.Fan,et al,Twofold role of dislocations in the relaxation behavior of Ti–Ni martensite,ActaMaterialia 56(2008)pp.632–641.；2.Fan G.,et al,The overlooked hydrogen effect in Ti-Ni□based shape memory alloys,Materials Science Forum,2011,vol.687,pp.533–538)。因此，精確地控制鈦鎳基形狀記憶合金中的氫含量是改善鈦鎳基形狀記憶合金阻尼性能并向實際應用推廣的關鍵技術之一。

傳統(tǒng)的實驗室充氫技術主要有三種：1)封裝氣氛處理，將試塊封裝在石英管中，并且向石英管內通入含氫氣氛，然后進行900攝氏度左右的高溫熱處理；但是這種處理方式對樣品尺寸限制較大，同時要使用氫氣熱處理，帶來一定的危險性，需要特殊裝備的保護；2)封裝水氣處理，使用水蒸氣替代含氫氣氛，封閉高溫環(huán)境下記憶合金中的鈦元素可以促進水氣分解成氫和氧，該方法雖然確保了工藝安全，但是會給樣品帶來嚴重的氧化問題；3)電化學充氫，將試塊浸入酸液并通電，這種方式充氫效率很高，但是一方面氫元素容易在表面聚集，導致內外組織不均，且容易形成表面裂紋影響工件性能；另一方面，這種充氫技術使得合金中的氫含量難以得到有效精確地控制。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有鈦鎳基形狀記憶合金充氫技術的缺陷，本發(fā)明提出了一種提高鈦鎳基形狀記憶合金阻尼性能的氫注入工藝，該工藝通過等離子技術向鈦鎳基形狀記憶合金中可控地注入氫離子，將鈦鎳基形狀記憶合金中的氫含量控制在15ppm～100ppm。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種提高鈦鎳基形狀記憶合金阻尼性能的氫注入工藝，包括以下步驟：

將超聲清洗處理后的鈦鎳基形狀記憶合金置于樣品臺上，抽真空至2*10^-3Pa以下，然后通入氫氣和氬氣的體積比為1：1.5～5的混合氣體，保持氣壓穩(wěn)定在20～100Pa，隨后升溫至150～400℃，溫度穩(wěn)定后開始通電，設置電流為0.5～2安培，電壓為70～110伏特，電離氫氣，將氫注入到鈦鎳基形狀記憶合金中，20～60min后逐漸減小氣壓，關閉電源和氣源，抽真空，真空環(huán)境下將樣品冷卻至室溫后取出注入氫的鈦鎳基形狀記憶合金。

所述的鈦鎳基形狀記憶合金與上電極之間的距離保持在5～40cm。

所述的鈦鎳基形狀記憶合金選自鈦鎳二元形狀記憶合金、鈦鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鈀或鈦鎳鈮三元形狀記憶合金。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的氫注入工藝簡便安全，能夠有效精準地將氫離子注入到鈦鎳基形狀記憶合金中，準確控制鈦鎳基形狀記憶合金中的氫含量穩(wěn)定在15ppm～100ppm，得到的氫離子注入鈦鎳基形狀記憶合金的阻尼系數(shù)最高可達0.12以上，較常規(guī)鈦鎳記憶合金的阻尼系數(shù)(約0.05)提高2倍以上。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述。

實施例1

對富鎳的鈦鎳形狀記憶合金進行充氫試驗。樣品超聲清洗處理2分鐘，之后將樣品放入腔體內，安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離為15cm。關閉腔體倉門抽真空至1.7*10^-3Pa，然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：2。打開并調整真空泵口的閥門角度，使腔體內氣壓穩(wěn)定在20Pa范圍內并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度范圍為250攝氏度。電極開始通電，使腔體內的氫氣電離，并注入到鈦鎳形狀記憶合金樣品基體中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為1.3安培，電壓為85伏特。保溫并離子化注入時間范圍為20分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱，關閉電源和氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫。最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，取出工件，通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例2

對富鎳的鈦鎳形狀記憶合金進行充氫試驗。樣品超聲清洗處理2分鐘，之后將樣品放入腔體內，安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離為15cm。關閉腔體倉門抽真空至1.7*10^-3Pa，然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：2。打開并調整真空泵口的閥門角度，使腔體內氣壓穩(wěn)定在50Pa范圍內并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度范圍為250攝氏度。電極開始通電，使腔體內的氫氣電離，并注入到鈦鎳形狀記憶合金樣品基體中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為1.3安培，電壓為85伏特。保溫并離子化注入時間范圍為40分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱，關閉電源和氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫。最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，取出工件，通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例3

對鈦鎳銅形狀記憶合金進行充氫試驗。鈦鎳銅記憶合金樣品也進行超聲清洗處理5分鐘左右，之后將樣品安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離保持在20cm。關閉腔體倉門，抽真空至8.5*10^-4Pa，并確保設備腔體的氣密性。然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：1.5。由于鈦鎳銅合金充氫相對較為緩慢，因此氫含量比例可以調的稍高一點。打開并調整真空泵口的閥門角度，使腔體內氣壓穩(wěn)定在80Pa范圍內并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度范圍為400攝氏度。達到設定溫度后，電極開始通電，使腔體內的氫氣電離，并注入到鈦鎳銅形狀記憶合金樣品中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為1.8安培，電壓為100伏特。保溫并離子化注入時間范圍為50分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱；直到關閉電源，關閉氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫；最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，取出工件，通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例4

對鈦鎳鐵形狀記憶合金進行充氫試驗。鈦鎳鐵記憶合金樣品超聲清洗處理3分鐘左右，之后將樣品安置在樣平臺上，上電極之間的距離保持在40cm。關閉腔體倉門，抽真空至6.5*10^-4Pa，并確保設備腔體的氣密性。然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：4。使腔體內氣壓穩(wěn)定在35Pa并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度范圍為300攝氏度。達到設定溫度后，電極開始通電，使腔體內的氫氣電離，并注入到鈦鎳鐵形狀記憶合金樣品中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為1.5安培，電壓為70伏特。保溫并離子化注入時間范圍為40分鐘，隨后逐步降低電壓，關閉電源，關閉氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫；最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，取出工件，通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例5

對富鎳的鈦鎳形狀記憶合金進行充氫試驗。鈦鎳記憶合金樣品進行超聲清洗處理后將放入腔體，安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離保持在10cm。關閉腔體倉門，抽真空至1.6*10^-3Pa。然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：4，腔體內氣壓穩(wěn)定在75Pa并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度為280攝氏度。達到設定溫度后，電極通電使氫氣電離，并注入到鈦鎳形狀記憶合金樣品基體中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為0.5安培，電壓為85伏特。保溫并離子化注入時間范圍為50分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱；直到關閉電源，關閉氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫；最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，升起爐罩取出工件。通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例6

對富鎳的鈦鎳形狀記憶合金進行充氫試驗。鈦鎳記憶合金樣品進行超聲清洗處理后將放入腔體，安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離保持在15cm。關閉腔體倉門，抽真空至2.0*10^-3Pa。然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：5，腔體內氣壓穩(wěn)定在75Pa并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度為150攝氏度。達到設定溫度后，電極通電使氫氣電離，并注入到鈦鎳形狀記憶合金樣品基體中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為2安培，電壓為110伏特。保溫并離子化注入時間范圍為20分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱；直到關閉電源，關閉氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫；最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，升起爐罩取出工件。通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

實施例7

對富鎳的鈦鎳形狀記憶合金進行充氫試驗。鈦鎳記憶合金樣品進行超聲清洗處理后將放入腔體，安置在樣平臺上，樣品與上電極之間的距離保持在15cm。關閉腔體倉門，抽真空至2.0*10^-3Pa。然后通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣和氬氣的體積比為1：1.5，腔體內氣壓穩(wěn)定在100Pa并保持平衡。隨后開始加熱并保溫，保溫溫度為300攝氏度。達到設定溫度后，電極通電使氫氣電離，并注入到鈦鎳形狀記憶合金樣品基體中。工藝過程中涉及的電流密度范圍為2安培，電壓為110伏特。保溫并離子化注入時間范圍為60分鐘，隨后逐漸減小氣壓使輝光逐步減弱；直到關閉電源，關閉氣源。繼續(xù)抽真空，使工件在爐內真空環(huán)境下冷卻至室溫；最后關閉真空泵，開啟放氣閥門，升起爐罩取出工件。通過燃燒法測試氫含量，使用DMA技術測試材料的阻尼性能。

表1各實施例樣品獲得的內耗性能值、覆蓋溫度及氫含量

表1為各實施例制得的鈦鎳基形狀記憶合金的氫含量和阻尼性能測試結果。從表1中可以看出，通過本發(fā)明的氫注入技術，可以非常精準地控制鈦鎳基形狀記憶合金的氫含量，從而獲得非常優(yōu)異的內耗性能值，比常規(guī)報道的記憶合金內耗(0.08)提高了2倍以上，比傳統(tǒng)鑄鐵高出3個數(shù)量級。同時該高內耗區(qū)域覆蓋的溫度范圍也較寬，基本覆蓋了常規(guī)使用的溫度范圍。綜上所述，利用本發(fā)明的充氫工藝制得的鈦鎳基形狀記憶合金在結構減振、隔音降噪等領域具有巨大的應用價值。