由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法

摘要

一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法,其包括下列步骤:(1)混粉:按重量百分比将43.94～45.92%,粒度100～325目的Ti粉,56.06～54.08%,粒度100～400目的Ni粉,在研体或球磨机中充分混合；(2)冷压制:控制压坯密度在60～85%范围内；(3)外保套:将冷压坯置于玻璃管内抽真空后密封,防氧化,再外包玻璃和陶瓷材料复合的流体模,用于ROC过程传递压力；(4)加热反应烧结+快速全向压制(ROC):在普通电炉内加热烧结,温度950～1100C,时间0.5～2小时,然后ROC热压致密,压力300～1000Mpa,时间5～30秒；(5)将坯锭粗车、修孔、精车制成TiNi合金管接头成品。本方法工艺简单、材料利用率高、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金管接头的制备方法，属于一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法。

背景技术

TiNi形状记忆合金是目前为止各种综合性能最好的形状记忆合金，具有广泛而重要的用途，目前已在航空、航天、机械、智能材料技术、医学、农业、等领域得到广泛的应用，成为一种重要的新型功能材料。

形状记忆合金具有感温和驱动双重功能，所以能有效地用作热敏兼有驱动的元件，也可只作驱动器。在管接头、电子干燥箱、汽车节温器、机车分流阀、热机、温度继电器等方面都得到应用。

管接头是形状记忆合金最成功的应用之一，形状记忆合金管接头的连接方法如下：先将记忆合金管接头内径制成比被连接管子小4％左右。经过记忆处理后，在比相变温度低得多的情况下，把锥形塞柱打入管接头内，使内径扩张7-8％，在管接头处于低温状态时，将被连接管子从两端插入，当管接头在室温下逐渐升温，经过马氏体逆相变，回复到扩径前的尺寸，就把被连接管子紧紧卡住。

据报道，这种管接头目前在世界上已使用150万个以上从未出现漏油事故，表现出高可靠性。除此之外，因不需要熔焊，不会造成周围材料损害，便于狭窄空间的作业。

TiNi记忆合金管接头利用记忆合金的记忆收缩功能来连接管道，它具有高的可靠性、操作简便、可显著减少占用空间，主要用于飞机、舰船、海底油田及机械、电子、化工等领域。迄今为止，已在美、英、俄和瑞典等国家广泛采用，是目前总使用量最多的记忆合金应用件之一。

通常TiNi记忆合金管接头的制备主要经过真空熔炼、热加工及后续的钻孔、车削等机加工等过程。熔炼方法材料利用率较低，同时TiNi记忆合金冷加工困难。尤其是管材加工，加工热导致材料的升温，进而引起的硬化，以及形状记忆效应造成的管径收缩，使得用钻头打孔非常困难。因而记忆合金管接头类零件材料利用率非常低，只有将近20％，机加工成本高，产品成本很高。

相对常规熔炼加工TiNi方法的困难，粉末冶金方法似乎是解决诸多难题的合理选择。使用粉末冶金方法，由于是在固体状态下制造合金，这样熔炼法所存在的问题即使不是全部，也会有相当部分得到解决。另外，粉末治金法至少可以在制造除了线或板以外的复杂形状的管接头部件方面发挥优势。从八十年代初开始各国都在尝试用粉末冶金方法来制造TiNi合金，主要集中在普通粉冶金方法以及SHS(自蔓燃合成)技术制备TiNi合金两方面。

以Ti粉、Ni粉为原料，经充分混合后成型烧结是粉末法制取TiNi合金的基本路线，得到致密而反应充分的TiNi合金是其最终目的。研究表明，如果使用比较粗的原料粉，氧含量会较低，但在所得到的TiNi合金中，由于Ti和Ni扩散速度不同，会在Ti与TiNi₃的界面上产生空隙，单靠延长烧结时间，要想得到接近熔炼法生产的TiNi合金的密度是非常困难的。这种方法得到的TiNi合金的孔隙度一般大于10％；使用非常细的原料粉，密度能达到与熔炼法接近，但同时带来氧含量增加的问题，即细Ti粉中的过量氧会在TiNi合金中形成Ti₄Ni₂O氧化物，不仅造成合金成分变动，而且使机械性能显著恶化。

为了解决上述问题，采用了在粗Ti粉末原料基础上，加HIP(热等静压)致密的方法。即首先混合成型，经1000℃，10小时的烧结得到单相TiNi合金，然后包套，经950℃，1小时的热等静压消除内在的空隙。这种方法得到的坯锭可以经随后的加工制成TiNi板材或线材。但该方法工序多、时间长，对原料粉末的要求高，而且使用昂贵的热等静压，成本难以降低。

曾经研究过由Ti、Ni粉末直接热等静压制备TiNi合金的能性，但是由于压力抑制了Ti、Ni粉末间的扩散过程，致使得到均匀成分的TiNi合金的作用时间大大延长，在200MPa，950℃条件下，长达20小时，使得成本大大增加。而且如果在合成产物中有Ti₂Ni，即使在HIP(热等静压)中达到全致密，也会在重新加热过程中开裂而形成缺陷。

以Ti粉Ni粉为原料，充分混合后，用热压成型烧结的方法可制备TiNi合金。这种方法在使用石墨模具的情况下，加压会受到限制，但如果适当地选择烧结温度时间，相对密度可提高到98％。

也可由具有不同马氏体转变温度的两种合金粉作原料，把它们很好的混合，借助HIP成型，烧结成坯料。再进一步用这种坯料加工成TiNi合金线材或板材。由于把两种已知马氏体转变温度的合金粉混合，所以能随意并且准确地制造出具有所希望转变温度的合金。这种方法首先要熔炼TiNi合金，再把熔体用喷雾法制成粉末，得到的TiNi合金在成本上没有什么优势。

利用SHS(自蔓燃合成)方法制备TiNi合金是将一定比例的钛粉、镍粉充分混合，用冷等静压(CIP)成型，用SHS合成TiNi金属间化合物。然后用热等静压(HIP)固结，制成坯锭。在控制粉末质量的前提下，SHS方法可得到氧含量较低的坯锭。并且由于坯锭没有化学成分的上的偏析，所得材料的冷热加工性能及最终制品性能都相对良好，可以大量生产。尽管使用了昂贵的HIP技术，该方法在成本与产品性能方面与熔铸法相比具有竟争力。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、材料利用率高、成本低的由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法。

本法使用Ti、Ni元素粉末，通过混粉，压制成管坯，外包套，然后进行加热烧结，并通过热压制制成密度为100％的TiNi记忆合金管坯，经简单机加工成为形状记忆合金管接头。方法工艺简单，材料利用率高，成本低。

本方法将Ti、Ni的反应烧结(Reactive Sintering)与ROC(快速全向压制)致密化合为一体，即在ROC加热阶段进行元素粉末间反应合成，最后由ROC完成最终反应和致密化过程，一步得到密实而反应充分的TiNi合金管接头坯锭，然后经简单机加工制成管接头。这样既克服传统粉末冶金方法材料不致密等缺点，同时由于ROC方法成本比HIP等方法低，从而有效地降低生产成本，形成一种制备TiNi形状记忆合金管接头的新方法。

一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法，其包括下列步骤：

(1)、混粉：按重量百分比将43.94～45.92％，粒度100～325目的Ti粉，56.06～54.08％，粒度100～400目的Ni粉，在研体或球磨机中充分混合；

(2)、冷压制：控制压坯密度在60～85％范围内，压制时中心带有一比管接头内径小一些的金属芯棒；

(3)、外保套：将冷压坯置于玻璃管内抽真空后密封，防氧化，再外包玻璃和陶瓷材料复合的流体模，用于ROC过程传递压力；

(4)、加热反应烧结+快速全向压制(ROC)：在普通电炉内加热烧结，温度950～1100C，时间0.5～2小时，然后ROC热压致密，压力300～1000Mpa，时间5～30秒，得到反应充分的TiNi合金管接头坯锭；

(5)、将坯锭粗车、修孔、精车制成TiNi合金管接头成品。

根据使用要求，为防止Ti、Ni渗透，可在芯棒的表面涂有一层碳保护层。

本方法制取记忆合金管接头将材料的利用率提高到60％，尽管使用粉末成本比直接使用Ti、Ni金属成本高，但由于材料利用率提高，工艺简化，减少机加工量，其综合成本显著降低。

粉末法制备TiNi形状记忆合金的一个问题是含氧量稍高，合金的塑性比冶炼法要差，但管接头类零件形状简单，主要利用TiNi合金的一次形状记忆效应，一般无须反复动作，因此没有记忆疲劳和寿合问题，这一点正符合粉末法制备TiNi合金氧含量相对高，性能稍差的特点。

具体实施方式实施例1：

一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法，其包括下列步骤：

(1)、混粉：按重量百分比将43.94％，粒度100目的Ti粉，56.06％，粒度200目的Ni粉，在研体或球磨机中充分混合；

(2)、冷压制：控制压坯密度在60～85％范围内，压制时中心带有一比管接头内径小一些的金属芯棒；

(3)、外保套：将冷压坯置于玻璃管内抽真空后密封，防氧化，再外包玻璃和陶瓷材料复合的流体模，用于ROC过程传递压力；

(4)、加热反应烧结+快速全向压制(ROC)：在普通电炉内加热烧结，温度950℃，时间2小时，然后ROC致密，压力300Mpa，时间30秒，得到反应充分的TiNi合金管接头坯锭；

(5)、将坯锭粗车、修孔、精车制成TiNi合金管接头成品。

实施例2：

一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法，其包括下列步骤：

(1)、混粉：按重量百分比将45.92％，粒度325目的Ti粉，54.08％，粒度400目的Ni粉，在研体或球磨机中充分混合。

(2)、冷压制：控制压坯密度在60～85％范围内，压制时中心带有一比管接头内径小一些的金属芯棒。

(3)、外保套：将冷压坯置于玻璃管内抽真空后密封，防氧化，再外包玻璃和陶瓷材料复合的流体模，用于ROC过程传递压力。

(4)、加热反应烧结+快速全向压制(ROC)：在普通电炉内加热烧结，温度1100℃，时间0.5小时，然后ROC致密，压力1000Mpa，时间5秒，得到反应充分的TiNi合金管接头坯锭。

(5)、将坯锭粗车、修孔、精车制成TiNi合金管接头成品。实施例3：

1、一种由元素粉末直接制备TiNi形状记忆合金管接头的方法，其包括下列步骤：

(1)、混粉：按重量百分比将44.93％，粒度230目的Ti粉，55.07％，粒度230目的Ni粉，在研体或球磨机中充分混合；

(2)、冷压制：控制压坯密度在60～85％范围内，压制时中心带有一比管接头内径小一些的金属芯棒；

(3)、外保套：将冷压坯置于玻璃管内抽真空后密封，防氧化，再外包玻璃和陶瓷材料复合的流体模，用于ROC过程传递压力；

(4)、加热反应烧结+快速全向压制(ROC)：在普通电炉内加热烧结，温度1025℃，时间1.25小时，然后ROC致密，压力650Mpa，时间17.5秒，得到反应充分的TiNi合金管接头坯锭；

(5)、将坯锭粗车、修孔、精车制成TiNi合金管接头成品。