纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的累积叠轧制备方法

摘要

本发明提供的是一种纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的累积叠轧制备方法。(1)将TiNi形状记忆合金箔材表面进行酸洗及表面清洗；(2)将增强纯金属箔材进行机械磨抛及表面清洗；(3)将经过预处理的TiNi合金箔材与增强纯金属箔材交替叠放并保证最外层为TiNi合金箔材；(4)将上述叠放的TiNi合金箔材与增强纯金属箔材放入不锈钢或纯Ti包套中并抽真空；(5)在400℃～800℃温度下进行n道次累积叠轧；(6)在300℃～600℃范围内进行真空退火处理。本发明具有工艺简单、便于调控、对设备要求低、易于实现批量生产等优点。利用本发明所制备的纳米片层相增强TiNi基合金板材可广泛用于医疗器械、阻尼构件、大应变量驱动器等场合。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基合金复合板材的制备方法，具体地说是一种纳米片层相增强TiNi 基合金复合板材的制备方法。

背景技术

凭借其优异的形状记忆效应与超弹性以及良好的生物相容性等特性，TiNi基形状记忆合 金在航空航天、机械电子与生物医疗等领域均获得了广泛应用。近年来，以TiNi形状记忆合 金为基体的复合材料表现出诸多新奇的特性，引起了研究者的广泛关注，有望拓宽形状记忆 材料的应用范围。例如，纳米线或纳米片层NbTi增强TiNi(Nb)复合材料表现出低弹性模量、 高弹性极限和屈服强度等特点；纳米片层W增强TiNi复合材料具有高屈服强度、可调控的 相变滞后和高X光可见性；将Ag复合到TiNi基体中则可以赋予材料一定的杀菌特性，在生 物医疗器械领域具有广阔的应用前景。

对于上述复合材料，现有制备工艺主要是利用Nb、W与Ag等在TiNi合金中溶解度有 限的特性，采用真空熔炼工艺原位制备复合材料，然后通过大变形量的冷拔与冷轧等工艺获 得型材。在真空熔炼工序，由于组成元素的物理特性存在巨大差异，给合金熔炼带来很大的 困难。例如，Nb与W的熔点分别高达2468℃与3407℃，并且两种元素的密度大，因此在 熔炼时容易造成成分偏析；Ag熔点约在980℃，远低于Ti或Ni的熔点，并且密度小，在熔 炼时易浮在熔融液体的上层。在冷加工变形阶段，由于铸锭中增强相的尺寸与分布都不均匀， 所以最终获得的纳米线或纳米片层相的尺寸也不均匀。此外，由于获得纳米线或纳米层片增 强相需要非常大的塑性变形，所以最终的材料形式以细丝或薄板为主。上述问题在一定程度 上制约了纳米线或纳米片层增强TiNi基复合材料的工程应用。

《中国石油大学学报》(自然科学版),2012,36(3)151－154中刊登的“超细片层NbTi/TiNi 记忆合金复合材料的制备与功能特性”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备超细片层 NbTi/TiNi记忆合金复合材料。申请号为201010150612.0的专利文件中公开的“一种NbTi/TiNi 记忆合金复合材料及其制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备超细片层 NbTi/TiNi记忆合金复合材料；申请号为200810118675.0的专利文件中公开的“TiNiNb/NbTi 记忆合金复合材料及其制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备NbTi/TiNi记忆合 金复合材料；申请号为201110385005.7的专利文件中公开的“W/TiNi记忆合金复合材料及其 制备方法”，主要利用熔炼、锻造和拔丝等工艺制备W/TiNi记忆合金复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决纳米片层相增强TiNi基复合材料熔炼困难、增强相 分布与尺寸不均匀的问题的纳米片层相增强TiNi基合金复合板材的累积叠轧制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将TiNi形状记忆合金箔材表面进行酸洗及表面清洗；

(2)将增强纯金属箔材进行机械磨抛及表面清洗；

(3)将经过预处理的TiNi合金箔材与增强纯金属箔材交替叠放并保证最外层为TiNi合 金箔材；

(4)将上述叠放的TiNi合金箔材与增强纯金属箔材放入不锈钢或纯Ti包套中并抽真空， 获得增强金属与TiNi合金的箔材组；

(5)将上述所述箔材组在400℃～800℃温度下进行n道次累积叠轧，压下量为50％；

(6)将累积叠轧后的板材在300℃～600℃范围内进行真空退火处理，得到纳米片层相增 强TiNi基复合材料板材。

本发明还可以包括：

1、所述增强纯金属为Nb、W或Ag。

2、所述进行n道次累积叠轧中n为不超过32的正整数。

3、所述TiNi形状记忆合金箔材为Ti含量为48-52at.％，余量为Ni。

4、累积叠轧的轧制温度选择为600℃，真空退火处理的温度选择为450℃。

为解决纳米片层相增强TiNi基复合材料熔炼困难、增强相分布与尺寸不均匀的问题，本 发明提供了一种纳米片层相增强TiNi基复合材料的制备工艺。本发明工艺简单、便于调控、 对设备要求低、易于实现批量生产。

本发明的纳米片层相增强TiNi基合金的制备方法是以TiNi合金箔材与用于增强的纯金 属箔材为原料，将经过预处理的TiNi合金箔材与纯金属箔材交替叠放并保证最外层为TiNi 合金，利用累积叠轧工艺将上述板材在400℃-800℃温度下叠轧在一起，将轧制后板材在 300℃-600℃范围内进行退火处理，即可得到纳米片层相增强TiNi基复合材料板材。本发明 中纯金属箔材为Nb、W或Ag等在TiNi合金中固溶度小，并且不会与基体元素形成脆性相 的纯金属。

本发明所选择的增强相金属主要包括Nb、W与Ag，其共同特点是在TiNi基体中溶解度 小、并且不会与基体金属形成脆性相。在累积叠轧过程中，增强相金属可以与TiNi基体形成 牢固的冶金结合。利用本工艺制备的纳米片层增强TiNi基复合材料板材具有独特的性能优势， 例如纳米线或纳米片层NbTi增强TiNi(Nb)复合材料具有低弹性模量、高弹性极限和屈服强度 等特点；纳米片层W增强TiNi复合材料具有高屈服强度、可调控的相变滞后和高X光可见 性；纳米片层Ag增强TiNi复合材料则具有杀菌、热导率高等优点。

本发明具有制备工艺简单、易于调控、对设备要求低等特点。本发明可以通过调整增强 相金属的初始厚度与TiNi合金厚度之间的比例，方便地调整增强相的体积分数，从而满足不 同的实际需要。可以通过调整增强相金属的种类，获得具有不同特性的复合材料。也可以通 过调整叠放的层数和增强相金属与基体合金的厚度，获得具有不同尺寸的复合材料。也可以 通过调整累积叠轧道次n获得不同厚度的增强相金属。

本发明所制备的纳米片层相增强TiNi基复合材料适用于阻尼构件、驱动器以及医疗器械 等。

附图说明

图1是本发明的技术路线图。

图2是叠放示意图。

图3是包套组装结构示意图。

图4是单道次累积叠轧示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述，本发明的技术方案不局限于以下所列举的具体实施 方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：

(1)将TiNi形状记忆合金箔置于HF、HNO₃以及去离子水混合溶液中进行酸洗。

(2)将Nb箔用金相砂纸进行打磨，去除表面氧化皮。

(3)将酸洗的TiNi形状记忆合金置于丙酮中超声波清洗15分钟，并用酒精冲洗干净。

(4)将酸洗的TiNi基形状记忆合金和Nb箔交替叠放并保证最外层为TiNi基合金板材， 将叠放好的板材两端采用机械方式固定，在固定好的板材表面采用不锈钢包套。

(5)将步骤(4)得到的板材放置在轧机下轧制，轧制温度为400℃-800℃，轧制前板材 加热的保温时间为400℃，轧制道次为不超过32的正整数，单道次的变形量为50％。

(6)将轧制好的板材在300℃-600℃范围内进行真空退火处理，即可得到纳米片层状Nb 相增强的TiNi基复合板材。

具体实施方式二：

本实施方式与实施方式一的区别在于，本实施方式中步骤(2)与步骤(4)中所采用的是 金属W箔。

具体实施方式三：

本实施方式与实施方式一的区别在于，本实施方式步骤(2)与步骤(4)中所采用的是金 属Ag箔。

最后需要说明的是，本发明步骤(5)中不锈钢包套可以替换为纯Ti包套。

下面通过实施例对本发明的优点加以验证。

结合图1，技术路线主要包括：

(1)将成分为Ti_48.8Ni_51.2形状记忆合金箔置于体积百分比为1:2:10的HF、HNO₃以及 去离子水混合溶液中酸洗，箔材最终厚度为0.6mm。

(2)将Nb箔用金相砂纸打磨，去除表面氧化皮，最终厚度为0.2mm。

(3)将酸洗的TiNi形状记忆合金置于丙酮中超声波清洗15分钟，并用酒精冲洗干净。

(4)将酸洗的TiNi形状记忆合金和Nb箔交替叠放并保证最外层为TiNi合金，叠放层 数为5层，采用不锈钢包套并固定。图2是TiNi记忆合金与Nb箔的叠放示意图，其中1为 TiNi形状记忆合、2为Nb箔。图3是包套组装结构示意图，其中3为上盖板、4为交替叠放 合金板、5为包套、6为下盖板。

(5)将包套后的板材利用累积叠轧技术轧制，在600℃温度下轧成板材，单道次轧制变 形量为50％。图4是单道次累积叠轧六成示意图。

(6)将轧制后的复合板材在450℃真空扩散退火处理1h，即可得到纳米片层状Nb相增 强的TiNi基复合板材。

本实施例中所获得纳米片层状Nb相增强TiNi基复合板材的弹性极限可以达到5％，屈 服强度可达1.6GPa以上，是一种极具应用价值的复合材料。