專利名稱：：一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，是通過添加復合稀土鈧(Sc)、釹(Nd)元素有效地提高了TiNiFeMo形狀記憶合金的屈服強度、抗拉強度、應力松弛穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。技術背景目前，在動力、石化、運輸、特別是航空及航天等工業(yè)領域，在-16(TC+100。C的環(huán)境下，使用低溫TiNiFeMo形狀記憶合金越來越多。這種合金的強度相對較低，應力松弛穩(wěn)定性和耐腐蝕性較差，致使在機械振動、低溫、高壓等惡劣環(huán)境下，所制成的構件和設備事故發(fā)生隱患大，使得其應用范圍受到限制。隨著科學技術的發(fā)展，對低溫記憶合金的要求越來越高,原有的低溫TiNiFeMo形狀記憶合金已經(jīng)不能適應應用的需要，必須開發(fā)一種高強度、應力松弛穩(wěn)定性好和耐腐蝕性強的新型形狀記憶合金材料以適應相關工業(yè)領域未來發(fā)展的需要。本發(fā)明在TiNiFeMo合金基礎上，通過添加高純度鈧(Sc)、釹(Nd)稀土元素來提高合金的屈服強度、抗拉強度、應力松弛穩(wěn)定性和耐腐蝕性，開發(fā)出新型的高強度低溫形狀記憶合金來替代原有的低溫TiNiFeMo形狀記憶合金，可以拓寬其惡劣環(huán)境的使用范圍，提高安全系數(shù)，延長服役壽命。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種高比強度、應力松弛穩(wěn)定性好和耐腐蝕強的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，該TiNiFeMoScNd形狀記憶合金作為功能材料在強振動低溫高壓的環(huán)境下使用，可以替代原有的TiNiFeMo形狀記憶合金，可以拓寬其惡劣環(huán)境的使用范圍，提高安全系數(shù)，延長服役壽命。本發(fā)明是一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其由4355at。/。的鈦(Ti)、4248at。/。的鎳(Ni)、0.14at。/。的鐵(Fe)、0.12at。/。的鉬(Mo)、0.013at。/。的鈧(Sc)和0.013at。/。的釹(Nd)組成，并且上述各組分的含量之和為100%。本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的優(yōu)點(1)在TiNiFeMo形)f^a憶合金基礎上，通過添加高純度鈧(Sc)、釹(Nd)稀土元素來提高形TO憶合金的屈服強度、抗拉強度、應力松弛穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能。本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的馬氏體開始(Ms)相變溫度范圍在—200~+20°C，形狀記憶效應(SME)為4~8%;本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金在2CTC時的屈服強度()為300600MPa，在2CTC時的抗拉強度(o"6)為650900MPa，在20。C時的延伸率(3)為10.040.0%;本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金在300°C、初始應變e。=2%時應力松弛穩(wěn)定系數(shù)(S。)為0.88~0.95，松弛速率系數(shù)(/。)為1000015000;本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金在2CTC海水中的腐蝕速率為2.403X10-43.208xlO-4gW2』-1,屬于完全耐蝕類別。(2)該TiNiFeMoScNd形狀記憶合金材料與具有相同F(xiàn)e、Mo原子百分比的TiNiFeMo記憶形狀記憶合金相比，在-200°(:~+IOCTC之間具有更高的強度，更好的應力松弛穩(wěn)定性能和耐腐蝕性能。圖1是Ti5。Ni46FeL5Mo。.5SqNdi形狀記憶合金試樣的電阻一溫度曲線圖。圖2是Ti5。N"6FeL5Mo。.5Sc^Ndi形狀記憶合金試樣在不同溫度下的拉伸試驗所得到的應力一應變曲線圖。圖3是Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SCiNdi形狀記憶合金試樣在不同預應變下的應力—應變曲線圖及其形狀記憶可恢復效應。圖4是Ti5。Ni46FeL5Mo。.5Sc^Ndi形狀記憶合金試樣在300°C，初始應變￡。=2%時的應力松弛曲線及其變換的半對數(shù)坐標圖。具體實施方式下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明是一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，由4355at。/。的鈦(Ti)、4248at。/。的鎳(Ni)、0.14at。/。的鐵(Fe)、0.12at。/。的鉬(Mo)、0.013at%的鈧(Sc)和0.013at。/。的釹(Nd)組成，并且上述各組分的含量之和為100%。本發(fā)明TiNiFeMoScNd形狀記憶合金材料的制備方法和步驟如下第一步按4355at。/。稱取純度為99.9%的鈦(Ti)、4248at。/。稱取純度為99.9%的鎳(Ni)、0.1~4at。/。稱取純度為99.9。/。的鐵(Fe)、0.1~2at。/。稱取純度為99.9%的鉬(Mo)、0.013at。/。稱取純度為99.9。/。的鈧(Sc)和0.013at。/。稱取純度為99.9%的釹(Nd);第二步將上述稱取的Ti、Ni、Fe、Mo、Sc、Nd原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至25X10-3P",充入高純氬氣至1.01Xl05戶a，然后在2700°C~3000°C反復熔煉3~5次制得TiNiFeMoScNd錠材；第三步將上述制得的TiNiFeMoScNd錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度25X10-3/^，熱處理溫度850。C950。C下保溫12~24/后，隨爐冷卻，即得到Ti435sNi4248Fe。.卜4Mo。.卜2Sc。.。卜3Nd。.。卜3形狀記憶合金。對上述制得的錠材采用型號為Cl1—150的的鍛造機軋制成板材后，釆用線切割方法獲得各種試樣。TiNiFeMoScNd形狀記憶合金馬氏體開始相變溫度(Ms)采用電阻法測量，試樣尺寸為15wmXlwmXlww，測試溫度范圍為一150°C+50°C,升降溫速率為1°C/min。TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的力學性能采用MTS—880型萬能材料實驗機進行拉伸應力一應變、形狀記憶效應和應力松弛穩(wěn)定性的測試。拉伸應變速率為0.8~1.0附m/min，溫度范圍為一196。C+100。C之間選定的溫度點；合金的形狀記憶效應是通過測量試樣在拉伸前后的標距長度，運用公式5-^^><100%(e表示卸丄o載后的殘余應變，A表示試樣卸載恢復到室溫后的標距長度，A)表示加載前的原始標距)計算形狀記憶效應；試樣在溫度300。C,初始應變s。為0.02下通過試驗機與微機相連進行實時控制來測定應力松弛穩(wěn)定性,將得到的曲線變換到半對數(shù)坐標圖后運用公式S。=^和~=1分別來表征應力松弛穩(wěn)定系數(shù)與松弛速率系數(shù)。cr。tana采用線切割方法切取尺寸為L附mXWwmXH附m的薄片作為室溫耐腐蝕性能測試樣品，測量樣品的質(zhì)量Mi;在室溫下采用浸泡法將薄片浸于質(zhì)量分數(shù)為3.56%NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干測量試樣的質(zhì)量M2，運用失重法公式表示腐蝕速率尸=2(s為試樣表面積，r為浸泡時間)。上述涉及到的測量儀器釆用精確度為1(^g的電子天平測量樣品的質(zhì)量，使用精確度為10—2附附的游標卡尺測量樣品的尺寸。經(jīng)測試Ti4355Ni424sFe。.卜4MOo.卜2Sc謹3Nd。.。卜3形狀記憶合金的馬氏體開始(Ms)相變溫度范圍在一200~+20°C。經(jīng)測試Ti4355Ni4248Fe。.卜4MO。.wSC。.。卜3Nd。.。卜3形狀記憶合金在不同溫度條件下的各性能參數(shù)如表1、表2和表3所示表1TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的不同溫度下的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2TiNiFeMoScNd和TiNiFeMo形狀記憶合金耐腐蝕性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的應力松弛穩(wěn)定性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本發(fā)明的Ti4355Ni42—8Fe。.卜4Mo。.卜2Sc。.。卜3Nd。.。卜3形狀記憶合金比二元TiNi合金材料的相變點低，其屈服強度、抗拉強度、應力松弛穩(wěn)定性能和耐腐蝕性能強，形狀記憶效應好，有效地提高了安全系數(shù)，降低了故障隱患，擴展了TiNi基合金材料的使用范圍。該(^43~55]^42~4^6。.1~4]^0。.1~280。.。1~^￡1。.。1~3形狀記憶合金與具有相同F(xiàn)e、Mo原子百分比的TiMFeMo記憶合金相比，在一200十10CTC之間具有更髙的強度和更好的應力松弛穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能。實施例1:制備T^N^FeLsMoosSCiNdi形狀記憶合金(1)稱取50at。/。純度為99.9%的鈦、46at。/。純度為99.9%的鎳、1.5at%純度為99.9%的鐵、0.5at。/。純度為99.9%的鉬、1at。/。純度為99.9%的鈧和1at%純度為99.9%的釹；(2)將上述鈦、鎳、鐵、鉬、鈧和釹原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2XlO-3pfl，充入高純氬氣至1.01Xl05戶a，然后在2800°C反復熔煉5次制得TiNiFeMoScNd記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度2X10-3Pa,熱處理溫度850。C下保溫12小時后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的T^N^FeLsMo^SCiNdi形狀記憶合金。對上述制得的錠材采用型號為Cl1—150的鍛造機軋制成板材后，采用線切割方法獲得試樣。然后將試樣切取尺寸為15m附X1mmX1mm的板材后釆用電阻法獲得圖l所示的溫度一電阻曲線，測得其馬氏體開始相變溫度(Ms)點為—64°C;采用MTS—880型萬能材料實驗機進行拉伸應力一應變、形狀記憶效應和應力松弛穩(wěn)定性的測試。在拉伸應變速率為0.8mw/min時分別在一196。C、一55。C、20。C和10(TC下測得Ti5。Ni46FeL5Mo。.5SCiNc^合金試樣的應力一應變曲線如圖2所示；在不同預應變下獲得的形狀記憶效應如圖3所示，其屈服強度、抗拉強度、形狀記憶效應和延伸率具體值見表4。圖4是Ti5。Ni46FeL5Moo.5Sc!Ndi合金試樣在300°C，初始應變s。=2%時獲得的應力松弛曲線及其變換的半對數(shù)坐標圖。其初始載荷為19200N，根據(jù)公式計算得S0=0.89，、=11628.59。釆用線切割方法切取尺寸為20m附X20mmX2m附的薄片作為室溫(20°C)耐腐蝕性能測試樣品，測量Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SCiNc^合金試樣腐蝕前的質(zhì)量M^4.8694g;在室溫(20°C)下釆用浸泡法將薄片浸于質(zhì)量分數(shù)為3.56%NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干測量Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SqNc^合金試樣的質(zhì)量M2=4.8693g，腐蝕后質(zhì)量損失為0.0001g;通過公式計算得腐蝕速率為2.604X10"g.m免/T1，屬于完全耐蝕類型。該Ti5。Ni化FeL5Mo。.5SqNdi記憶合金材料與Tis。Ni48FeL5Mo。.5記憶合金材料相比，本發(fā)明Ti5。Ni46FeL5Mo。.5Sc^Nd,記憶合金具有更高的強度和更好的應力松弛穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能。實施例2:制備Ti^.sNi^FeLsMo^qNdLs形狀記憶合金(1)稱取49.5at。/。純度為99.9%的鈦、45at。/。純度為99.9%的鎳、1.5at%純度為99.9%的鐵、1at。/。純度為99.9%的鉬、1at。/。純度為99.9%的鈧和1.5at%純度為99.9%的釹；(2)將上述鈦、鎳、鐵、鉬、鈧和釹原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2xl0-3i^，充入高純氬氣至1.50Xl05/^，然后在3000°C反復熔煉3次制成Ti49.sNi455FeL5Mo,SCiNdL5高溫合金錠材；(3)將上述制得的Ti^Ni^sFeLsMOiSCiNdLs高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度2X1C^P",熱處理溫度900。C下保溫24小時后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的Ti".5N"55FeL5Mo,SCiNdL5形狀記憶合金。對上述制得的錠材釆用型號為Cl1—150的的鍛造機軋制成板材后，采用線切割方法獲得試樣。將試樣切取尺寸為15^7X1mmX1mm的板材后釆用電阻法測得其相變點為—S4。C。將試樣采用MTS-880型萬能材料實驗機進行拉伸應力一應變、形狀記憶效應和應力松弛穩(wěn)定性的測試。在拉伸應變速率為1.0wm/min時分別在一196。C、一55。C、2CTC和100。C下測得Ti49.5Ni45.5FeL5Mc^S(^NdL5形狀記憶合金的屈服強度、抗拉強度、形狀記憶效應和延伸率的結(jié)果見表4。根據(jù)Ti49.5Ni45.5FeL5Mo!Sc!NdL5試樣合金在300°C，初始應變s。=2%和初始載荷為20000N時獲得的應力松弛曲線及其變換到半對數(shù)坐標圖，利用公式計算可得51,0.92,,0=13257.21。采用線切割方法切取尺寸為25mmX25m附X2mm的薄片作為室溫耐腐蝕性能測試樣品，測量樣品的質(zhì)量M「6.2178g;在室溫下采用浸泡法將薄片浸于質(zhì)量分數(shù)為3.56。/。NaCl溶液中放置40天，取出清洗吹干測量試樣的質(zhì)量M2=6.2176g，腐蝕后質(zhì)量損失為0.0002g;通過公式計算得腐蝕速率為3.161XlCT4g,-2'/T1，屬于完全耐蝕類型。該Ti49.5Ni45.5FeL5MOiSCiNdL5形狀記憶合金材料與Ti5。Ni47.5FeL5M(^記憶合金材料相比，本發(fā)明Ti49.5Ni455FeL5M0^(^NdL5記憶合金具有更高的強度和更好的應力松弛穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能。表4實施例l和實施例2的性能參數(shù):<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表5不同成分的形狀記憶合金在2CTC下的性能參數(shù)如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注戰(zhàn)不同合金成分的測試條件與實施例1相同。權利要求1.一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于由43～55at％的鈦(Ti)、42～48at％的鎳(Ni)、0.1～4at％的鐵(Fe)、0.1～2at％的鉬(Mo)、0.01～3at％的鈧(Sc)和0.01～3at％的釹(Nd)組成，并且上述各組分的含量之和為100％。2.根據(jù)權利要求1所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于馬氏體開始相變溫度(她)為—200+20°C，形狀記憶效應(SME)為4~8%。3.根據(jù)權利要求l所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于在2(TC時的抗拉強度()為650900M/>a，在20。C時的屈服強度()為300600M戶a,在20。C時的延伸率W為10.040.0%。4.根據(jù)權利要求l所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于在300。C、初始應變f。-2^時應力松弛穩(wěn)定系數(shù)(S。)為0.88~0.95,松弛速率系數(shù)(O為10000~15000。5.根據(jù)權利要求l所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于在2(TC海水中的腐蝕速率為2.403X10"~3.208XIO4g.w—2./T1。6.根據(jù)權利要求1所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于組份可以為Ti5。Ni46FeLsMo。.5SCiNc^形狀記憶合金和Ti49.5Ni45Fe2Mo^qNdL5形狀記憶合金。7.根據(jù)權利要求1所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其特征在于可作為加工管接頭材料。8.—種制備如權利要求1所述的TiNiFeMoScNd形狀記憶合金的方法，其特征在于包括有下列步驟第一步按43~55at。/。稱取純度為99.9%的鈦(Ti)、4248at。/。稱取純度為99.9%的鎳(Ni)、0.14at。/。稱取純度為99.9%的鐵(Fe)、0.12at。/。稱取純度為99.9%的鉬(Mo)、0.013at。/。稱取純度為99.9。/。的鈧(Sc)和0.01~3at。/。稱取純度為99.9%的釹(Nd);第二步將上述稱取的Ti、Ni、Fe、Mo、Sc、Nd原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2~5xlO-3Pa,充入高純氬氣至1.0lXl05Pa,然后在2700°C~3000°C反復熔煉3~5次制成TiNiFeMoScNd錠材；第三步將上述制得的TiNiFeMoScNd錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度25XlO-3p"，熱處理溫度850。C950。C下保溫1224A后，隨爐冷卻，即得到Ti4355Ni42—48Fe。.—4MO。.卜2SCo.o卜3Nd。.。卜3形狀記憶合金材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種TiNiFeMoScNd形狀記憶合金，其由43～55at％的鈦(Ti)、42～48at％的鎳(Ni)、0.1～4at％的鐵(Fe)、0.1～2at％的鉬(Mo)、0.01～3at％的鈧(Sc)和0.01～3at％的釹(Nd)組成，并且上述各組分的含量之和為100％。該TiNiFeMoScNd形狀記憶合金作為功能材料在強振動低溫高壓的環(huán)境下使用，可以替代原有的TiNiFeMo形狀記憶合金，可以拓寬其惡劣環(huán)境的使用范圍，提高安全系數(shù)，延長服役壽命。文檔編號C22C14/00GK101157999SQ200710177079公開日2008年4月9日申請日期2007年11月9日優(yōu)先權日2007年11月9日發(fā)明者劉福順,徐惠彬,巖李,王建淦,趙新青申請人:北京航空航天大學