一種Cu-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬材料制備領域，設及一種化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料 的制備方法。
【背景技術】
[0002] 化-Al-Mn形狀記憶合金是一種重要的銅基形狀記憶合金，其價格低廉，相當于 NiTi形狀記憶合金的1/10,其導電導熱性能良好，可W制成傳感器、探測器、阻尼器件、能 量轉換器W及智能微型裝置等，并可廣泛應用于電子通信、醫療衛生、機械制造、航空航天、 能源化工W及日常生活等眾多領域。
[0003] 目前，形狀記憶合金制成的元器件，如智能驅動器、機器手臂、引導絲等，均需與其 他部件連接，如不誘鋼、侶合金等材質的結構部件。在與運些結構部件連接時，需要形狀記 憶合金的連接端具有較高的硬度和強度來保證連接的可靠性。但形狀記憶合金的高硬度、 高強度與高超彈性、良好的形狀記憶效應卻難W兼得，例如當采用添加強化合金元素、細晶 強化、形變強化等方法提高形狀記憶合金的硬度和強度時，會造成合金超彈性和形狀記憶 效應的顯著下降，嚴重影響形狀記憶合金的功能特性。
[0004] 梯度功能材料是一種組織、結構、特性參數和力學、物理、化學等單一或復合性能 呈連續變化，W適應不同功能需求或實現某些特殊功能的一類新型材料。如果能制備出性 能梯度變化的梯度功能形狀記憶合金材料，例如與結構材料連接的連接端具有高硬度和高 強度，而其余部分（功能端）仍保持高形狀記憶性能，就能使形狀記憶合金材料同時滿足性 能多樣化的要求。
[0005] 目前梯度功能材料的制備方法主要是從原料成分入手，如采用氣相沉積、電沉積、 等離子噴涂、自蔓延高溫合成法、粉末冶金和焊接等方法，制備合金成分梯度變化材料，從 而實現材料功能的梯度變化。但對于形狀記憶合金，其最重要的功能特性一-形狀記憶性 能（包括超彈性和形狀記憶效應）依賴于合金的馬氏體相變。在應用中，要求合金的馬氏體 相變溫度穩定。而形狀記憶合金的馬氏體相變溫度具有極高的成分敏感性，例如化-Al-Mn 形狀記憶合金中Al含量改變0.Iwt. %，合金的馬氏體相變溫度可改變5~8°C。因此，采 用傳統的成分梯度設計來制備形狀記憶合金梯度功能材料將無法滿足馬氏體相變溫度穩 定性的要求。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料的制備方法， 解決傳統成分梯度設計無法制備具有穩定的馬氏體相變溫度的形狀記憶合金梯度功能材 料的問題，滿足形狀記憶合金實際應用中性能多樣化的需求；本發明采用梯度熱處理方 法，所述梯度熱處理方法的熱處理工藝參數，（其中，熱處理溫度或時間是可控的），并利 用貝氏體析出相強化機制和貝氏體析出相含量隨熱處理溫度升高或時間延長而升高的規 律，使合金的相組成呈現梯度變化，從而獲得強度、硬度、超彈性等性能呈梯度變化的一種 化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料。 陽007] 本發明的技術方案：
[0008] 一種化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料的制備方法，所述制備方法利用具有 高超彈性的柱狀晶組織的化-Al-Mn合金巧料為原料，然后根據所要制備的所述化-Al-Mn 形狀記憶合金梯度功能材料的性能需要通過梯度熱處理法對所述化-Al-Mn合金巧料沿指 定方向進行熱處理，熱處理后進行空冷或水澤，制備獲得所述化-Al-Mn形狀記憶合金梯度 功能材料，所述化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料的合金性能沿指定方向變化。
[0009] 進一步地，所述制備方法具體包括W下步驟：
[0010] (1)化-Al-Mn合金巧料的制備：采用連續定向凝固方法，使用下拉或水平式連 續定向凝固設備，W純度均高于99. 9%的無氧銅、電解侶和電解儘為原料，經過原料混 合、真空烙煉及下引拉巧制備獲得直徑為I-SOmm的表面光滑的柱狀晶組織化-Al-Mn合 金巧料；所述真空烙煉的溫度為ll〇〇°C-1200°C;控制石墨鑄型溫度為1000-1100°C，拉 巧速度為1 - 50mm/min;所述原料中侶、銅及儘的含量分別為：侶：16at% -24at%，儘： 9at% -13at%，銅：63at% -75at% ; W11] 似馬氏體相變開始溫度Ms的測量：測量步驟（I)所制備的化-Al-Mn合金巧料 的馬氏體相變開始溫度Ms,所述馬氏體相變開始溫度Ms的測量方法為差熱分析法或電阻 測量法；
[0012] (3)熱處理參數的計算：根據實際產品性能需要，計算出所述化-Al-Mn合金巧料 各部位對應所需的熱處理參數，所述熱處理參數包括熱處理溫度和熱處理時間；
[0013] (4)梯度熱處理法：根據步驟（3)計算得到的所述化-Al-Mn合金巧料各部位對應 所需的熱處理參數，對步驟（2)獲得的所述化-Al-Mn合金巧料沿指定方向進行梯度熱處 理，然后進行空冷或水澤，獲得所述化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料。
[0014] 進一步地，步驟（1)化-Al-Mn合金巧料的制備方法為：W純度均高于99. 9 %的無 氧銅、電解侶和電解儘為原料，所述原料中侶、銅及儘的含量分別為：侶：16at% -24at%， 車孟：9at% -13at%，銅：63at% -75at% ;將上述配比的原料進行烙煉，烙煉溫度為 Iiocrc-1200°C;然后進行定向凝固，所述定向凝固過程采用石墨鑄型周向加熱，所述石墨 鑄型的溫度為iooo°c-iioor，石墨鑄型置于銅模底座上，所述銅模底座的冷卻方式為水 冷，將烙煉獲得的金屬液注入石墨鑄型，然后停止對所述石墨鑄型周向加熱，所述金屬液自 下而上定向凝固，制備獲得化-Al-Mn合金巧料；
[0015] 進一步地，所述熱處理參數的具體計算方法如下：
[0016] (1)熱處理預實驗：在高于所述馬氏體相變開始溫度Ms200°C~500°C的溫度范圍 內選取不少于4個溫度值作為熱處理溫度進行預實驗，并每個熱處理溫度下設置不少于4 個熱處理時間進行熱處理預實驗，所述熱處理時間在Imin-IO化時間范圍內進行選取，并 保證選取的熱處理時間中的一個為1〇化；
[0017] (2)合金性能測試及熱處理后合金材料常數的確定：對步驟（1)熱處理預實驗之 前W及熱處理預實驗之后的合金樣品進行合金性能值的測試，測試的所述合金性能包括馬 氏體相變臨界應力、硬度、彈性模量及超彈性；
[0018] 熱處理后合金的性能與熱處理溫度及熱處理時間的關系滿足公式[1]:
[0019] yCr, t) = y…+(y〇-y…）/{l+[a ? exp(-b ? T) ? t]n}山
[0020] y(T，t)表示在熱處理溫度為T、熱處理時間為t的條件下熱處理后合金的性能，所 述熱處理后合金的性能包括馬氏體相變臨界應力、抗拉強度、硬度、彈性模量及超彈性中的 全部或其中任意的組合；y。表示熱處理前合金的性能值，熱處理前t= 0;yW表示熱處時間 無限長時合金的性能值，所述熱處時間無限長是指t> 10化；公式[1]中a、b和n為材料 常數。
[0021] 分別將熱處理預實驗中測得的合金各性能值代入公式[1]中進行數值擬合，即可 得到合金各性能對應的材料常數a、b和n的值； 陽02引（3)根據所要制備的所述化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料的性能需要，將產 品的目標性能y和步驟（2)得到對應的材料常數a、b和n的值代入式[1]中，即可算出制 備所述化-Al-Mn形狀記憶合金梯度功能材料所需的熱處理溫度T和熱處理時間t。
[0023] 進一步地，步驟（4)所述梯度熱處理法采用管式梯度熱處理爐對所述化-Al-Mn合 金巧料進行梯度熱處理，所述梯度熱處理法的具體步驟為：
[0024] 1)將一根或多根柱狀晶組織的所述化-Al-Mn合金巧料放入所述管式梯度熱處理 爐中；
[00對。根據產品性能需要，確定所述管式梯度熱處理爐中各加熱線圈的加熱溫度，使 所述管式梯度熱處理爐提供連續變化的溫度場； 陽0%] 3)梯度熱處理一定時間，然后空冷或水澤。
[0027] 進一步地，