Cu-Al-Ni-Be形状记忆合金单晶制备及其性能特性研究

摘要

由于Cu基形状合金的不同晶位方向的弹性系数相差很大，其各向异性因子高达13，普遍存在疲劳性能差，易断裂。如果合金的显微组织呈有序排列的柱状组织(单晶)，那么所有的晶界取向将平行于轴向，弹性应变成分在晶界的共格性将是适性条件，这样一来，尽管合金的弹性在各晶位取向相差很大，但是沿轴向进行弹性变形时，晶界上产生的应力集中很小，这样有助于疲劳寿命等特性的提高。 本论文结合CuAlNi系合金和CuAlBe系合金两种记忆合金的各自的特性，以Be部分替代Ni，将Ni、Be两种合金元素同时加入，构成一新的CuAlNiBe四元合金系(成分为：Cu 83.5％A1 12.5％Ni 3.5％：Be0.5％)开展单晶制备和性能特性的研究。 自行设计了一台高温度梯度定向凝固炉，采用选晶法制备出了CuAlNiBe四元形状记忆合金系的单晶材料，并对其性能特性作了系统研究。新的CuAINiBe四元合金力学和记忆性能与CuAlNi和CuAlBe的单晶、柱状晶的性能进行了全面系统比较： 力学性能：CuAlNiBe合金单晶材料抗拉强度σ<,b>=780MPa，延伸率ε=17％，而CuAlNi合金多晶材料σ<,b>=150MPa，ε=3％。 形状记忆性能：CuAlNiBe单晶的的最大可恢复应变量达到10％，与TiNi形状记忆合金的最大可恢复应变量9～10％相当。明显地比CuAl系合金多晶材料的1-4％高得多。 同时，无晶界的单晶材料具有最佳的冷热循环疲劳特性。CuAlNiBe单晶材料疲劳断裂次数750次左右，而其多晶材料仅7次。 实验研究证明了，自行设计制造的定向凝固炉、所采用的引晶器及定向凝固工艺制备单晶的可行性。为改善Cu-Al系形状记忆合金的特性、性能提供了方向。但应该看到，这样的制备方法生产效率低，耗材大，成本偏高，只适宜用于实验室研究。要生产批量单晶Cu-Al系形状记忆合金单晶线坯，还应该采用人们熟知的OCC法单晶连铸技术，这不仅可大大提高单晶成功率和工作效率，也使制备成本降下来，从而使单晶Cu-Al系形状记忆合金材料真正实现产业化生产。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2形状记忆合金

1.2.1马氏体相变与形状记忆效应

1.2.2形状记忆效应的种类

1.3形状记忆合金的种类

1.3.1 Ni-Ti形状记忆合金

1.3.2铜基形状记忆合金

1.3.3铁基形状记忆合金

1.3.4其它合金系

1.4形状记忆合金的应用

1.4.1工业应用

1.4.2医学应用

1.5国内外对形状记忆合金的研究进展

1.5.1 Cu基形状记忆合金性能改善的研究进展

1.5.2 Ti-Ni基形状记忆合金性能改善的研究进展

1.6定向凝固技术

1.6.1定向凝固技术的重要工艺参数

1.6.2定向凝固的发展与应用

1.6.3定向凝固连续铸造技术

1.6.4单晶制备技术

1.7本课题的研究目的及内容

第二章实验总体方案

第三章高温度梯度定向凝固炉和单晶模壳的设计

3.1高温度梯度定向凝固装置设计

3.1.1设计方案

3.1.2功率的分配与计算

3.1.3炉膛与炉衬的设计

3.1.4加热器

3.1.5水冷系统

3.1.6牵引传动下降装置

3.1.7通气保护装置

3.1.8温度控制和测量系统

3.2单晶引晶的模壳设计

3.2.1引晶通道的设计

3.2.2单晶稳定生长部分的设计

3.3本章小结

第四章 铜铝系形状记忆合金材料单晶及柱状晶试样的制备

4.1引言

4.2合金成分设计与试验合金材料的配制

4.3实验合金的配置与熔炼

4.4定向凝固实验

4.4.1定向凝固的工作原理

4.4.2定向凝固实验工艺参数确定

4.4.3定向凝固实验过程

第五章热处理工艺及性能检测

5.1引言

5.2热处理工艺规范的制定

5.3拉伸试验

5.4金相观测

5.5相变点的测试方法

5.6记忆性能测试

5.6.1冷热循环疲劳实验

5.6.2最大可恢复应变

第六章实验结果与讨论

6.1合金的成分烧损情况

6.2金相组织

6.2.1定向凝固试样引晶段的宏观金相组织

6.2.2热处理对组织的影响

6.2.3牵引速度对组织的影响

6.3相变点的测试结果

6.4记忆性能测试结果

6.4.1冷热循环疲劳特性——回复率与次数的关系

6.4.2可回复应变特性

6.5拉伸实验结果

6.6本章小结

第七章CuAl系形状记忆合金单晶材料的产业化生产的展望

第八章主要结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢