專利名稱：功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種具有功能連續梯度的形狀記憶合金的制備方法。
背景技術：
TiNi記憶合金不僅具有優異的形狀記憶效應與超彈性，而且表現出優良的阻尼特性。因此，TiNi記憶合金在減震防護等方面獲得了廣泛應用，TiNi記憶合金的優異性能主要是因為其在加熱和冷卻(或加載和卸載)過程中會發生熱彈性馬氏體相變。TiNi記憶合金在相變過程表現出較高的阻尼損耗因子。然而，TiNi記憶合金的相變溫度區間比較窄(少于20°C )，限制了合金的實際工程應用，因此如何拓寬合金的相變溫度區間，從而獲得高阻尼特性成為研究者的追求熱點之一。TiNi記憶合金的馬氏體相變溫度對顯微組織非常敏感，因此，制備顯微組織連續變化的梯度記憶合金有望拓寬合金的相變溫度區間。
等通道轉角擠壓(又稱等徑角擠壓)、高壓扭轉等大塑性變形的方法開始用于制備晶粒尺寸在亞微米或者納米級的TiNi記憶合金。利用上述方法制備的超細晶TiNi合金，其晶粒尺寸可以細化至數十個nm。通過等通道角轉擠壓方法制備的材料具有較大的尺寸和均勻的顯微組織，直徑可以達到60mm左右，長度可以達到200mm以上。與普通粗晶記憶合金相比較，大塑性變形處理的材料具有較高的恢復力、更加優異的形狀恢復特性、更加穩定的循環特性，然而，目前采用大塑性變形方法制備的TiNi記憶合金均為勻質材料。經文獻檢索，中國專利號為ZL200610010354.X和美國文獻號為US29911306A的發明專利，公開了一種Ni-Ti系功能連續梯度形狀記憶合金的制備方法，然而該方法僅適用于厚度小于IOmm的冷加工態板材，導致，制備得到的TiNi功能連續梯度形狀記憶合金在實際工程應用中受到限制。
發明內容
本發明的目的是為解決目前使用的TiNi記憶合金均為勻質材料、TiNi記憶合金相變溫度區間窄，以及現有的制備TiNi功能連續梯度形狀記憶合金的方法僅適用于處理厚度小于IOmm的冷加工態TiNi合金板材，不適用于處理大規格尺寸的TiNi合金材料和工程應用受到限制的問題，進而提供一種功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法。本發明為解決上述問題采取的技術方案是本發明的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法按照以下步驟實現步驟一、TiNi合金超細晶處理，利用等通道轉角擠壓法將TiNi合金處理制得晶粒尺寸O. 2μηι Ιμπι的直徑為8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道轉角擠壓法參數為兩通道的內交角為90° 120°，擠壓溫度為350°C 450°C，擠壓道次為4 8道次；步驟二、切割TiNi合金棒，再進行表面處理去除表面氧化層；步驟三、切割成形的TiNi合金在溫度梯度場中進行差溫梯度熱處理差溫梯度熱處理TiNi合金高溫面為597°C 603°C，低溫面溫度控制為255°C 298°C，差溫梯度熱處理時間為IOmin 120min ；
步驟四、退火，經步驟三處理得到的TiNi合金采用水淬冷卻至室溫，即得到功能連續梯度TiNi形狀記憶合金。本發明的有益效果是本發明利用等通道轉角擠壓(制備得到的合金組織是由大角度晶界的亞微米或納米超細晶粒組成)，并結合差溫梯度熱處理工藝經退火制備得到的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金具有均勻、連續變化的顯微組織，產生與目前勻質TiNi記憶合金不同的相變與力學功能特性，材料強度和綜合機械性能得到有效改善和提高，具備連續化的超彈性和形狀記憶性能，更為重要的是可以獲得較寬的相變溫度區間(大于250C )和較高的阻尼特性(Tan δ > O. 06)，具有廣闊的應用前景，工程應用范圍廣，尤其是在減震防護方面，此外，與現有技術相比較，本發明對合金原材料尺寸和成分無限定，本發明可用于處理直徑大于IOmm的TiNi合金圓棒或厚度大于IOmm的TiNi合金板材。本發明工序簡單，安全可靠，易于推廣，可作為其它工序的原料進行加工利用，加工性能良好。
圖I是差溫梯度熱處理原理示意圖，圖2是熱爐差溫梯度熱處理示意圖，圖3是加熱套差溫梯度熱處理示意圖，圖4是兩種原料TiNi合金和分別經本發明制備得到的兩種TiNi合金的相變溫度區間圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法按照以下步驟實現步驟一、TiNi合金超細晶處理，利用等通道轉角擠壓法將TiNi合金處理制得晶粒尺寸O. 2μηι Ιμπι的直徑為8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道轉角擠壓法參數為兩通道的內交角為90° 120°，擠壓溫度為350°C 450°C，擠壓道次為4 8道次；步驟二、切割TiNi合金棒，再進行表面處理去除表面氧化層；步驟三、切割成形的TiNi合金在溫度梯度場中進行差溫梯度熱處理差溫梯度熱處理TiNi合金高溫面為597°C 603°C，低溫面溫度控制為255°C 298°C，差溫梯度熱處理時間為IOmin 120min ；步驟四、退火，經步驟三處理得到的TiNi合金采用水淬冷卻至室溫，即得到功能連續梯度TiNi形狀記憶合金。本實施方式的差溫梯度熱處理原理如圖I所示，本實施方式的TiNi合金2高溫面I的溫度為597°C 603°C，低溫面3溫度為255°C 298°C，高溫面I與低溫面3之間溫差為300°C 350°C，呈連續梯度變化，本實施方式利用熱量傳遞產生的連續變化的溫度梯度在TiNi合金棒或合金板材上得到功能連續梯度，制備得到的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金致密，內部沒有傳統方法中由于不同材料結合而產生的內應力，梯度沿長度方向或厚度方向連續均勻變化，梯度可控性良好，操作簡單，宏觀成分均勻。本實施方式制備功能連續梯度TiNi形狀記憶合金可軸向切割或徑向切割，形成呈不同功能梯度方向的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金，也可以將不同功能梯度方向的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金結合使用。不受原材料規格形狀尺寸或原材料成分及尺寸的限制。
本實施方式步驟一中可以采用的TiNi合金為含有原子百分比為48% 53%的Ni。本實施方式的步驟一中等通道轉角擠壓變形處理中，等效應變量不小于4。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同點是，本實施方式的步驟一中兩通道的內交角為120°。如此設置，擠壓效果好，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同點是，本實施方式的步驟一中擠壓溫度為400°C 450°C。如此設置，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同點是，本實施方式的步驟一中擠壓道次為6 8道次。如此設置，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式的步驟二中將TiNi合金棒切割成方形、橢圓形、菱形或梯形。如此設置，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式的步驟二中TiNi合金棒表面采用酸洗、機械拋光或電化學拋光以去除合金棒表面的氧化層。如此設置，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是，本實施方式的步驟三中采用熱爐差溫梯度熱處理切割成形的TiNi合金。本實施方式通過控制TiNi合金2的高溫面(圖中左側面)的溫度為597°C 603°C，低溫面(圖中右側面)的溫度為255°C 298°C，高溫面與低溫面之間溫差為300°C 350°C，其中TiNi合金2可以伸入熱爐4的爐膛內，或停留在熱爐4外，為防止空氣對流對溫度造成的影響，可將TiNi合金封裝在石英管或陶瓷管5中，本實施方式可以通過控制爐膛內溫度及TiNi合金2的擺放位置，控制所制備的TiNi合金的溫度梯度。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八結合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是，步驟三中采用加熱套差溫梯度熱處理切割成形的TiNi合金。本實施方式中TiNi合金2上表面和下表面置于具有加熱套6內，TiNi合金2的高溫面(圖中上表面和下表面)的溫度為597°C 603°C，低溫面(圖中兩端)的溫度為255°C 298°C，高溫面與低溫面之間溫差為300°C 350°C，為可將加熱套6放置在TiNi合金2的中部區域，得到兩端晶粒細小中間晶粒粗大的功能連續梯度形狀記憶合金。也可將TiNi合金2放在任意位置，得到局部晶粒粗大的功能連續梯度形狀記憶合金。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一不同點是，本實施方式的步驟三中差溫梯度熱處理時間為Ilmin 58min或62min 120min。如此設置,滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一不同點是，本實施方式的步驟三中差溫梯度熱處理時間為15min、65min、70min或90min。如此設置，滿足設計要求和實際需要。其它與具體實施方式
一相同。實施例為進一步說明本發明，結合圖I和圖4說明本實施例，利用本發明的制備方法分別對Ti5a2Ni4a8合金和Ti4a2Ni5a8合金進行制備，經差溫梯度處理以及退火處理后，晶粒尺寸通過透射電鏡觀察確定，隨著退火溫度的增加兩種合金的晶粒的尺寸逐漸增大，并持續變化，Ti5a2Ni4a8合金晶粒尺寸由O. 7 μ m增加至IJ 3. 5ym, Ti49.2Ni5(l.8合金晶粒尺寸由O. 3 μ m增加到2. 5μπι ;制備得到的上述兩種功能連續梯度合金的相變溫度區間如圖4所示，相變溫度區間由差示掃描量熱分析的方法確定，定義為馬氏體相變起始溫度與馬氏體相變終了溫度的差值，由圖4可知(其中a為制備得到的Ti49.2Ni5a8合金，b為制備前的Ti49.2Ni50.8合金(固溶態)，c為制備得到的Ti5tl. 2Ni49.8合金，d為制備前的Ti5tl. 2Ni49.8均質合金(固溶態))，制備前的均質合金和利用本發明方法制備得到合金的相變區間溫度相比， 制備后得到Ti49.2Ni5a8合金和Ti5a2Ni4a8合金的相變區間溫度分別要比制備前相應合金的相變區間溫度寬。由此得出，經過本發明制備的功能連續梯度TiNi記憶合金的相變溫度區間遠遠大于均質合金的相變溫度區間，阻尼特性明顯提高，擴大了 TiNi合金的工程應用范圍和領域。
權利要求
1.功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法,其特征在于所述功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法按照以下步驟實現 步驟一、TiNi合金超細晶處理，利用等通道轉角擠壓法將TiNi合金處理制得晶粒尺寸O.2μηι Ιμπι的直徑為8mm 60mm的TiNi合金棒,等通道轉角擠壓法參數為兩通道的內交角為90° 120°，擠壓溫度為350°C 450°C，擠壓道次為4 8道次； 步驟二、切割TiNi合金棒，再進行表面處理去除表面氧化層； 步驟三、切割成形的TiNi合金在溫度梯度場中進行差溫梯度熱處理差溫梯度熱處理TiNi合金高溫面為597°C 603°C，低溫面溫度控制為255°C 298°C，差溫梯度熱處理時間為 IOmin 120min ； 步驟四、退火，經步驟三處理得到的TiNi合金采用水淬冷卻至室溫，即得到功能連續梯度TiNi形狀記憶合金。
2.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟一中兩通道的內交角為120°。
3.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟一中擠壓溫度為400°C 450°C。
4.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟一中擠壓道次為6 8道次。
5.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟二中將TiNi合金圓棒切割成方形、橢圓形、菱形或梯形。
6.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟二中TiNi合金棒表面采用酸洗、機械拋光或電化學拋光以去除合金棒表面的氧化層。
7.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟三中采用熱爐差溫梯度熱處理切割成形的TiNi合金。
8.根據權利要求I所述的功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，其特征在于步驟三中采用加熱套差溫梯度熱處理切割成形的TiNi合金。
全文摘要
功能連續梯度TiNi形狀記憶合金的制備方法，它涉及一種具有功能連續梯度的形狀記憶合金的制備方法，以解決目前使用的TiNi記憶合金均為勻質材料、TiNi記憶合金相變溫度區間窄，以及現有的制備TiNi功能連續梯度形狀記憶合金的方法僅適用于處理厚度小于10mm的冷加工態TiNi合金板材，不適用于處理大規格尺寸的TiNi合金材料和工程應用受到限制的問題，所述制備方法是按照以下步驟實現步驟一、TiNi合金超細晶處理；步驟二、切割TiNi合金棒，再進行表面處理去除表面氧化層；步驟三、切割成形的TiNi合金在溫度梯度場中進行差溫梯度熱處理；步驟四、退火，即得到功能連續梯度TiNi形狀記憶合金。本發明用于制備功能連續梯度TiNi形狀記憶合金。
文檔編號C22C1/00GK102828066SQ20121032966
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者佟運祥, 張殿濤, 李莉, 鄭玉峰, 郭寶 申請人:哈爾濱工程大學