一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练方法

摘要

本发明涉及一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练方法，包括如下步骤：步骤1、将镍钛合金条在封闭惰性气氛管中进行固溶处理，固溶处理完毕后进行水淬；步骤2、将步骤1的镍钛合金条进行拉伸循环加载引入位错，对拉伸循环加载后的材料进行厚度减薄处理，得到样品条；步骤3、将经步骤2处理后的样品条弯曲在半圆柱状约束模具中，将装载样品条的模具进行时效处理，温度为450℃，时间为5h，处理完毕后立即水淬，即完成训练。本发明所得到的镍钛双程形状记忆合金响应温度区间在29～42℃，回复率从101.0％提升至115.5％，高效实现了镍钛合金双程形状记忆效应的显著提高，可使训练后的镍钛合金在室温以上实现大变形量的智能驱动场合得到广泛应用。

说明书

技术领域

本发明涉及镍钛双程形状记忆合金技术领域，具体为一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练方法。

背景技术

镍钛双程形状记忆合金由于能够在温度变化时实现不同形状的自动切换，在越来越多的工程领域可替代传统机电执行机构实现驱动功能，以达到轻量化、精简化的目的，如航空航天、生物医疗、消费电子等领域。镍钛合金的双程形状记忆效应需要经过训练才能得到。训练的目的在于引入定向的应力场从而在冷却过程中诱发择优取向马氏体变体，继而在宏观上产生自发形状变化。择优取向应力场可以通过引入定向排列的位错或者择优取向的Ni

取向性的应力场影响着热弹性马氏体相变，是获得双程形状记忆效应的原因，也是提高双程形状记忆效应的途径。研究发现提高Ni

现有技术公开了一种近等原子比富镍镍钛合金双程形状记忆效应训练方法，其采用两步约束时效精准调控析出相生长行为，从而使得基体中的共格应力场最大化，并且在经过500℃/1h+300℃/39h约束时效后的具有最大96.4％的双程形状记忆回复率。

时效温度、时效时间是影响析出相长大的重要因素。时效温度越高，析出相尺寸越大。时效时间对析出相的影响类似，但时效温度的影响更为显著。然而当温度过高，时效时间过长时，析出相长大，将与基体脱共格，共格应力场消失，双程形状记忆效应也随之消失。

镍含量和应力水平影响着析出相Ni

综上所述，单纯通过改变时效时间、时效温度、合金成分和约束应力的方法调控镍钛合金的双程形状记忆效应都有局限性，不能满足镍钛合金在工程领域日益增长的需要。鉴于目前镍钛合金双程形状记忆效应回复率低的情况，有必要发明一种大幅度提高镍钛双程形状记忆效应回复率的工艺，可使镍钛合金在室温下实现大变形量的智能驱动场合。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练方法，能够增强取向性的应力场，提高镍钛合金的双程形状记忆效应，并使其具有了在室温以上服役的能力。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练方法，包括如下步骤：

(1)将镍钛合金条在封闭惰性气氛中进行固溶处理，固溶处理完毕后进行水淬；

(2)将步骤(1)所述镍钛合金条进行拉伸循环加载引入位错缺陷，对拉伸循环加载之后的材料进行厚度减薄处理，得到样品条；

(3)将经步骤(2)处理后的样品条弯曲在半圆柱状约束模具中，将装载样品条的模具进行时效处理，温度为450℃，时间为5h，处理完毕后立即水淬，即完成训练。

优选的，步骤(1)所述惰性气氛为氩气，封管内压力为-100mbar。

优选的，步骤(1)所述固溶处理的温度为850～1000℃，所述固溶处理的时间为1～10h，固溶处理在管式炉内进行，管内通入氩气气体保护，气体流量为1～5L/min。

优选的，步骤(1)所述减薄后的样品条的厚度厚度记作t，应变根据公式

优选的，步骤(2)所述样品条的厚度为0.5～0.7mm；步骤(3)所述半圆柱状约束模具的弧形凹槽曲率半径为15～35mm；

优选的，步骤(2)所述拉伸循环加载指：在应变率为1.6×10

优选的，步骤(2)所述拉伸循环加载指：对样品条进行先拉伸加载后卸载，并循环1～50次；优选为循环5次。

优选的，拉伸循环加载指对样品条拉伸加载到250MPa～450MPa，然后卸载，重复上述过程；优选为250MPa。

所述的镍钛合金样品条是通过真空熔炼+吸铸制备得到。在每次熔炼镍钛合金锭之前，首先对8～10g纯钛锭进行熔炼，以降低熔炼炉内的杂质气氛。每个镍钛合金锭熔炼五次，在每次熔炼之后，将合金锭翻转，以保证熔炼后的镍钛合金锭的成分和组织均匀。随后，将处于液态的镍钛合金快速吸入到水冷铜模模具中，即得成分和组织均匀的镍钛合金。

所述的镍钛合金条中镍原子：钛原子的原子比＝50.5～52:49.5～48。

总的说来，本发明具有如下优点：

(1)本发明的两步训练处理(250MPa应力下拉伸循环加载5次后在450℃/5h下约束时效)，首先通过拉伸循环加载的方式简单、快速的在镍钛合金中引入了位错，并以位错作为析出相的异质形核点，来调控析出相分布，然后通过后续的约束时效处理，使得镍钛合金中形成择优取向、密集分布的析出相，从而增强了取向性的应力场，提高了镍钛合金的双程形状记忆效应。

(2)本发明的方法仅需要在时效处理前对合金进行拉伸循环加载，操作较为简单、方便。

(3)经过试验，采用本发明的两步训练处理(250MPa应力下拉伸循环加载5次后在450℃/5h下约束时效)的镍钛合金条双程形状记忆效应回复率为115.5％，远高于单步训练(450℃/5h下约束时效)的镍钛合金条101.0％。本发明的训练方法大幅度提高了镍钛合金条双程形状记忆效应。此外，两步训练工艺下材料R相变温度均超过室温，即在冷却到室温时会自动变形，适用于在室温以上实现大变形量的智能驱动场合。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备的单步训练(450℃/5h下约束时效)与两步训练(250MPa应力下拉伸循环加载5次后在450℃/5h下约束时效)的镍钛形状记忆合金条在-196℃时的弯曲变形。

图2是本发明的实施例1中250MPa拉伸循环加载5次的应力应变曲线。

图3为实施例1中固溶后在250MPa拉伸循环加载5次后的镍钛形状记忆合金条的微观结构。

图4为实施例1中经过两步训练后的镍钛合金条的DSC曲线。

图5为本发明实施例1中制备的单步训练与两步训练的镍钛形状记忆合金条的透射电镜明场像图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施实例并不对本发明做任何限定。

实施例1

一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练，具体步骤如下：

(1)通过真空电弧熔炼制备得到镍、钛原子比为51:49的镍钛合金，熔炼五次后利用压强差将熔融的镍钛合金吸铸到水冷铜模中，制备得到对应尺寸为70mm(长)×8mm(宽)×1mm(厚)的镍钛合金条。

(2)将步骤(1)所述镍钛合金条置于石英管中，通过真空封管机配套的分子泵将管抽真空至5×10

(3)将封管后的样品置于管式烧结炉中，并在管式炉中通入保护气氛氩气，气体流量为1L/min，随后进行温度为850℃，时间为3h的固溶处理。固溶完毕后，立刻水淬并取出样品。

(4)将经步骤(3)所述样品条拉伸加载至250MPa，然后卸载，重复上述过程循环加载5次。

(5)通过不锈钢减薄模具对经步骤(4)处理后的材料进行厚度减薄，使样品厚度达到0.7mm。

(6)将步骤(5)的样品条插入到半圆柱状的约束模具中，弧形槽的半径为33mm，将装载合金条的模具放入箱式电阻炉，进行温度为450℃，时间为5h的约束时效处理，完毕后立即水淬，即得。

图1是本发明实施例1中制备的单步训练(450℃/5h下约束时效)与两步训练(250MPa应力下拉伸循环加载5次后在450℃/5h下约束时效)的镍钛形状记忆合金条在-196℃时的弯曲变形。

图2是本发明的实施例1中250MPa拉伸循环加载5次的应力应变曲线。

图3为实施例1中固溶后在250MPa拉伸循环加载5次后的镍钛形状记忆合金条的微观结构。经过拉伸循环加载后，镍钛形状记忆合金基体中出现取向性排列的位错，这为后续约束时效处理中的析出相Ni

图4为实施例1中经过两步训练后的镍钛合金条的DSC曲线，通过切线法测得R相变开始温度R

图5为本发明实施例1中制备的单步训练与两步训练的镍钛形状记忆合金条的透射电镜明场像图。从图5中可以看出：两步训练的镍钛形状记忆合金条中分布着择优取向且密集的Ni

实施例2

一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练，具体步骤如下：

(1)通过真空电弧熔炼制备得到镍、钛原子比为51:49的镍钛合金，熔炼五次后利用压强差将熔融的镍钛合金吸铸到水冷铜模中，制备得到对应尺寸为70mm(长)×8mm(宽)×1mm(厚)的镍钛合金条。

(2)将步骤(1)所述镍钛合金条置于石英管中，通过真空封管机配套的分子泵将管抽真空至5×10

(3)将封管后的样品置于管式烧结炉中，并在管式炉中通入保护气氛氩气，气体流量为1L/min，随后进行温度为850℃，时间为3h的固溶处理。固溶完毕后，立刻水淬并取出样品。

(4)将经步骤(3)所述样品条加载至300MPa，然后卸载，重复上述过程循环加载5次。

(5)通过不锈钢减薄模具对经步骤(4)处理后的材料进行厚度减薄，使样品厚度达到0.7mm。

(6)将步骤(5)的样品条插入到半圆柱状的约束模具中，弧形槽的半径为33mm，将装载合金条的模具放入箱式电阻炉，进行温度为450℃，时间为5h的约束时效处理，完毕后立即水淬，即得。

实施例3

一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练，具体步骤如下：

(1)通过真空电弧熔炼制备得到镍、钛原子比为51:49的镍钛合金，熔炼五次后利用压强差将熔融的镍钛合金吸铸到水冷铜模中，制备得到对应尺寸为70mm(长)×8mm(宽)×1mm(厚)的镍钛合金条。

(2)将步骤(1)所述镍钛合金条置于石英管中，通过真空封管机配套的分子泵将管抽真空至5×10

(3)将封管后的样品置于管式烧结炉中，并在管式炉中通入保护气氛氩气，气体流量为1L/min，随后进行温度为850℃，时间为3h的固溶处理。固溶完毕后，立刻水淬并取出样品。

(4)将经步骤(3)所述样品条加载至350MPa，然后卸载。

(5)通过不锈钢减薄模具对经步骤(4)处理后的材料进行厚度减薄，使样品厚度达到0.7mm。

(6)将步骤(5)的样品条插入到半圆柱状的约束模具中，弧形槽的半径为33mm，将装载合金条的模具放入箱式电阻炉，进行温度为450℃，时间为5h的约束时效处理，完毕后立即水淬，即得。

实施例4

一种高效提高镍钛合金双程形状记忆效应的两步训练，具体步骤如下：

(1)通过真空电弧熔炼制备得到镍、钛原子比为51:49的镍钛合金，熔炼五次后利用压强差将熔融的镍钛合金吸铸到水冷铜模中，制备得到对应尺寸为70mm(长)×8mm(宽)×1mm(厚)的镍钛合金条。

(2)将步骤(1)所述镍钛合金条置于石英管中，通过真空封管机配套的分子泵将管抽真空至5×10

(3)将封管后的样品置于管式烧结炉中，并在管式炉中通入保护气氛氩气，气体流量为1L/min，随后进行温度为850℃，时间为3h的固溶处理。固溶完毕后，立刻水淬并取出样品。

(4)将经步骤(3)所述样品条加载至450MPa，然后卸载。

(5)通过不锈钢减薄模具对经步骤(4)处理后的材料进行厚度减薄，使样品厚度达到0.7mm。

(6)将步骤(5)的样品条插入到半圆柱状的约束模具中，弧形槽的半径为33mm，将装载合金条的模具放入箱式电阻炉，进行温度为450℃，时间为5h的约束时效处理，完毕后立即水淬，即得。

性能测试：

使用照相法对镍钛合金样品条的形状记忆效应进行表征，具体方法为：将样品置于不同温度的介质中，用相机记录下不同温度的样品弯曲状态照片，借助AutoCAD软件提取样品条的在不同温度下(100℃和-196℃)的曲率，计算出样品在马氏体状态下的双程形状记忆回复率。实施例1中制备的两步训练(250MPa应力下拉伸循环加载5次后在450℃/5h下约束时效)的镍钛形状记忆合金条，回复率高达115.5％，而单步训练(450℃/5h下约束时效)的镍钛形状记忆合金条回复率为101.3％。镍钛合金双程形状记忆效应得到了极大的提升。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。