一种基于NiTi形状记忆合金的循环热处理工艺 |
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申请号 | CN202311324796.1 | 申请日 | 2023-10-13 | 公开(公告)号 | CN117344252A | 公开(公告)日 | 2024-01-05 |
申请人 | 中国航发北京航空材料研究院; 航材国创(青岛)高铁材料研究院有限公司; | 发明人 | 丁小明; 庄欠玉; 王强; 郝慧林; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种基于NiTi形状记忆 合金 的循环 热处理 工艺,包括 真空 处理、 热锻 、 热轧 、冷拨、 退火 、循环热处理和时效处理工艺,得到直径为2‑3mm的基于NiTi形状 记忆合金 线材,本工艺中通过在NiTi合金中加入Co和Mn元素,可以显著提高 相变 温度 ,在热处理的过程中发生二次再结晶,得到的竹节晶具有极大的相对晶粒尺寸,表现出良好的超弹性。循环热处理工艺会提高 晶界 迁移率,并且循环热处理时α相的沉淀和溶解过程诱导产生的亚晶界能是异常晶粒长大现象的驱动 力 ;本工艺能够克服 现有技术 中直接成形出的NiTi零件存在的内 应力 较大、相变温度不符合要求等问题,循环热处理可以有效的消除或减弱这些问题带来的消极影响。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于NiTi形状记忆合金的循环热处理工艺,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于NiTi形状记忆合金的循环热处理工艺技术领域背景技术[0002] 形状记忆合金的机械性质优良,能恢复的形变可高达10%,而一般金属材料只有0.1%以下,几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级,可用来提高材料的冲击韧性。形状记忆合金在较高温度下制成某种形状,在低的温度下任意变形,加热后可恢复变形前的形状。 [0003] NiTi形状记忆合金由于其独特的形状记忆效应和超弹性,良好的生物相容性、耐腐蚀性和阻尼性能,在航空航天、生物医疗、汽车及机械制造等领域具有巨大的应用潜力。但是,传统方法制备NiTi合金零部件的形状结构较为简单,这极大地限制了NiTi合金的应用推广。 [0004] NiTi合金的传统制备方法包括熔铸法和粉末冶金法,熔铸法一般在大气下进行熔炼,空气中的C、O等元素极易与NiTi合金中较为活泼的Ti元素结合,生成Ti4Ni2O和TiC等化合物,造成NiTi合金中的Ni/Ti比增大,相转变温度升高,也使得合金脆性增大,机械性能下降;粉末冶金法虽然实现了一些简单结构零部件的近净成形,避免了传统铸造后所需的热机械加工处理,但仍然存在零件形状和结构仍较为简单,复杂模具的费用较为高昂,高温烧结难以避免杂质的引入,机械力学性能不如熔铸法,工艺流程较为复杂问题,因此需要探索一种更加适应NiTi合金特点的制备方法。 发明内容[0005] 为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于NiTi形状记忆合金的循环热处理工艺,包括以下步骤: [0008] S3、热轧:取S2步骤中材料在780℃‑800℃热轧成细棒状材料; [0009] S4、冷拨:将S3步骤中的材料进行冷拔; [0010] S5、退火:冷拔结束后,550‑580℃保温后空冷,得到2mm合金线材; [0011] S6、循环热处理:将S5步骤得到的线材以5℃/min加热至800℃并保温10min,然后再降温至400℃‑420℃后保温,再将其缓慢升温至800℃‑820℃,如此反复1‑5次升温,最后一次升温后在800℃‑820℃保温后水淬,循环结束; [0012] S7、时效处理:将循环结束的材料在180‑190℃下时效处理。 [0013] 作为优选,所述Ti、Ni、Mn、Co的质量比为:52‑58:43‑46:10‑13:1‑2。 [0014] 作为优选,所述S1步骤中抽真空的真空度为0.1‑0.3Pa,所述熔炼时间为20‑35min。 [0015] 作为优选,所述S2步骤中保温时间为12‑20h,所述棒状材料直径为22‑25mm。 [0016] 作为优选,所述S3步骤中细棒状材料直径为10‑12mm。 [0017] 作为优选,所述S4步骤中冷拔的变形量为30%‑35%。 [0018] 作为优选,所述S5步骤中保温时间为1.2‑1.5h,所述合金线材直径为2‑3mm。 [0019] 作为优选,所述S6步骤中加热速率为5℃/min,加温后保温时间为10‑15min;所述加热速率为3℃/min,降温后保温杯时间为10‑15min。 [0020] 作为优选,所述S7步骤中时效处理时间为12‑48h。 [0021] 本工艺循环热处理的机理: [0022] 通过在高温β相区和α+β相区反复升温、保温和降温过程中会伴随α相的沉淀和溶解,随着循环热处理的进行,晶粒会发生异常长大。原因是此种热处理工艺会提高晶界迁移率,并且循环热处理时α相的沉淀和溶解过程诱导产生的亚晶界能是异常晶粒长大现象的驱动力。 [0023] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果: [0024] (1)本工艺通过在NiTi合金中加入Co和Mn元素,可以显著提高相变温度,在热处理的过程中发生二次再结晶,得到的竹节晶具有极大的相对晶粒尺寸,表现出良好的超弹性。 [0025] (2)循环热处理工艺会提高晶界迁移率,并且循环热处理时α相的沉淀和溶解过程诱导产生的亚晶界能是异常晶粒长大现象的驱动力;本工艺能够克服现有技术中直接成形出的NiTi零件存在的内应力较大、相变温度不符合要求、超弹性较差等问题,循环热处理可以有效的消除或减弱这些问题带来的消极影响。 [0026] (3)循环热处理后的试样随循环次数的增加,晶粒发生了异常长大,显著提高了合金的力学性能和阻尼性能。 具体实施方式[0027] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施例进行详细描述。 [0030] 实施例1 [0031] 循环热处理制备形状记忆合金 [0032] S1、真空处理:将金属原料Ti、Ni、Mn、Co以质量比52:43:10:1投入真空电弧炉中,将电弧炉抽真空0.1Pa后升温至830℃进行加热熔炼20min; [0033] S2、热锻:将S1步骤得到铸锭去除表面杂质,780℃保温12h后进行热锻,锻成22mm棒状材料; [0034] S3、热轧:取S2步骤中材料在780℃热轧成10mm细棒状材料; [0035] S4、冷拨:将S3步骤中的材料进行冷拔,冷拔的变形量为30%; [0036] S5、退火:冷拔结束后,580℃保温1.2h后空冷,得到合金线材; [0037] S6、循环热处理:将S5步骤得到的线材加热至800℃并保温,然后再以3℃/min降温至400℃后保温10min,再将其缓慢升温至800℃,如此反复5次升温,最后一次升温后在800℃保温后水淬,循环结束; [0038] S7、时效处理:将循环结束的材料在180℃下时效处理12h。 [0039] 实施例2 [0040] 循环热处理制备形状记忆合金 [0041] S1、真空处理:将金属原料Ti、Ni、Mn、Co以质量比58:46:13:2投入真空电弧炉中,将电弧炉抽真空0.3Pa后升温至850℃进行加热熔炼20min; [0042] S2、热锻:将S1步骤得到铸锭去除表面杂质,780℃保温12h后进行热锻,锻成22mm棒状材料; [0043] S3、热轧:取S2步骤中材料在800℃热轧成10mm细棒状材料; [0044] S4、冷拨:将S3步骤中的材料进行冷拔,冷拔的变形量为30%; [0045] S5、退火:冷拔结束后,550℃保温1.2h后空冷,得到合金线材; [0046] S6、循环热处理:将S5步骤得到的线材加热至820℃并保温,然后再以3℃/min降温至420℃后保温10min,再将其缓慢升温至820℃,如此反复5次升温,最后一次升温后在820℃保温后水淬,循环结束; [0047] S7、时效处理:将循环结束的材料在180℃下时效处理12h。 [0048] 对比例1 [0049] 普通热处理制备形状记忆合金 [0050] S1、真空处理:将金属原料Ti、Ni、Mn、Co以质量比58:46:13:2投入真空电弧炉中,将电弧炉抽真空0.3Pa后升温至850℃进行加热熔炼20min; [0051] S2、热锻:将S1步骤得到铸锭去除表面杂质,780℃保温12h后进行热锻,锻成22mm棒状材料; [0052] S3、热轧:取S2步骤中材料在800℃热轧成10mm细棒状材料; [0053] S4、冷拨:将S3步骤中的材料进行冷拔,冷拔的变形量为30%; [0054] S5、退火:冷拔结束后,550℃保温1.2h后空冷,得到合金线材; [0055] S6、普通热处理:将S5制得的的线材在850℃下保温10min后水淬,随后在190℃时效15min。 [0056] 对比例2 [0057] 循环热处理制备普通NiTi形状记忆合金 [0058] S1、真空处理:将金属原料Ti、Ni以质量比55:45投入真空电弧炉中,将电弧炉抽真空0.1Pa后升温至830℃进行加热熔炼20min; [0059] S2、热锻:将S1步骤得到铸锭去除表面杂质,780℃保温12h后进行热锻,锻成22mm棒状材料; [0060] S3、热轧:取S2步骤中材料在780℃热轧成10mm细棒状材料; [0061] S4、冷拨:将S3步骤中的材料进行冷拔,冷拔的变形量为30%; [0062] S5、退火:冷拔结束后,580℃保温1.2h后空冷,得到合金线材; [0063] S6、循环热处理:将S5步骤得到的线材加热至800℃并保温,然后再以3℃/min降温至400℃后保温10min,再将其缓慢升温至800℃,如此反复3次升温,最后一次升温后在800℃保温后水淬,循环结束; [0064] S7、时效处理:将循环结束的材料在180℃下时效处理12h。 [0065] 对比例3 [0066] 循环热处理制备循环数少的形状记忆合金 [0067] 制备方法同实施例1,仅将S6步骤中循环次数从5次改为1次。 [0068] 实验例1 [0069] 考察实施例1‑2和对比例1‑2制备的合金力学性能和阻尼性能 [0070] 屈服强度以及延伸率按GB/T 228.1‑2010标准的规定测试 [0071] 断裂强度按GB 3851‑1983标准进行测试 [0072] 阻尼系数以阻尼测试仪检测 [0073] 结果如表1所示,经过本发明后工艺循环热处理的形状记忆合金具有更好的力学性能和阻尼系数,比常规热处理钛镍丝材的阻尼系数值提高一个量级。因此采用本发明中的处理工艺,可以获得具有超高阻尼性能的基于镍钛形状记忆合金丝材。 [0074] 表1实施例1‑2和对比例1‑2制备的合金力学性能和阻尼系数 [0075]材料 屈服强度 延伸率 断裂强度 阻尼系数 实施例1 300Pa 28% 800Pa 0.35 实施例2 310Pa 26% 780Pa 0.28 对比例1 280Pa 23% 730Pa 0.08 对比例2 290Pa 20% 700Pa 0.12 对比例3 300Pa 25% 760Pa 0.26 |