鈦鋯鉭形狀記憶合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金材料及其制備方法，特別是涉及一種記憶合金材料及其制備方法，應(yīng)用于功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦是工業(yè)上使用最廣泛的材料之一，在國防、汽車、船舶、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中都起著重要作用。以TiNi基合金為代表的形狀記憶合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，可以輸出較大的應(yīng)力和應(yīng)變，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和生活等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]二元TiZr合金的壓縮和拉伸力學(xué)性能不是很理想，其中Ti5tlZr5tl合金的抗壓強(qiáng)度為1278 MPa,斷裂變形量為15.8 % ;拉伸強(qiáng)度為801 MPa,斷裂變形量為4.7 % ;壓縮到14%預(yù)應(yīng)變時(shí)的形狀記憶效應(yīng)為1.1 %。
[0004]由于TiNi基合金中的Ni元素具有生物毒性，生物相容性較差，限制了其作為生物醫(yī)用材料的應(yīng)用領(lǐng)域；此外，現(xiàn)有的很多形狀記憶合金還存在耐腐蝕性能不佳的缺陷，這些不足都成為影響形狀記憶合金應(yīng)用的重要因素，限制了形狀記憶合金在工業(yè)上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種鈦鋯鉭形狀記憶合金材料及其制備方法，通過Ta元素的添加來改善合金的力學(xué)性能，從而制成具有良好記憶效應(yīng)的鈦鋯鉭形狀記憶合金。一方面，可以作為生物醫(yī)用材料替代TiNi形狀記憶合金，避免Ni元素溶出對(duì)人體安全的危害；另一方面，其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能可以擴(kuò)大其在工業(yè)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種鈦鋯鉭形狀記憶合金材料，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，由45.5 ~ 48.5 at.%的鈦、45.5 ~ 48.5 at.%的鋯以及3 ~ 9 at.%的鉭組成，并且鈦鋯鉭三種金屬元素組分的含量之和為100 %。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，鈦鋯鉭形狀記憶合金材料具有如下物理特性:
(1)在室溫下材料壓縮物理實(shí)驗(yàn)特性:抗壓強(qiáng)度為1200~ 1350 MPa，斷裂變形量為12~ 28 % ；
(2)在室溫下材料拉伸物理實(shí)驗(yàn)特性:拉伸強(qiáng)度為610~ 890 MPa，斷裂變形量為14 ~21 %，塑性變形量為9 ~ 16 %，拉伸時(shí)鈦鋯鉭形狀記憶合金材料的形狀記憶效應(yīng)為0.2 ~8.6 %。
[0008]作為本發(fā)明上述技術(shù)方案中優(yōu)選的技術(shù)方案，合金材料中鈦組分和鋯組分的物質(zhì)的量的比例為1:1。
[0009]作為本發(fā)明上述技術(shù)方案中優(yōu)選的技術(shù)方案，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，鉭組分的含量為5 ~ 9 at.%。
[0010]作為本發(fā)明上述技術(shù)方案中優(yōu)選的技術(shù)方案，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，鉭組分的含量為5 ~ 7 at.%。
[0011 ] 一種鈦鋯鉭形狀記憶合金材料的制備方法，包括如下步驟:
a.按配比稱取純度為99.99 %的T1、純度為99.9 %的Zr和純度為99.99 %的Ta，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，由45.5 ~ 48.5 at.%的鈦、45.5 - 48.5at.%的鋯以及3 ~ 9 at.%的鉭組成，并且鈦鋯鉭三種金屬元素組分的含量之和為100 % ；
b.將在所述步驟a中稱取的T1、Zr、Ta放入冷坩禍感應(yīng)懸浮熔煉設(shè)備中，抽真空至1X10—3 Torr，充入純度為5 N的高純氬氣，調(diào)節(jié)功率為30 ~ 40 kW預(yù)熱，再調(diào)節(jié)功率至100kff進(jìn)行熔煉，然后使鈦鋯鉭合金熔體凝固，最后得到鈦鋯鉭形狀記憶合金鑄錠。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明鈦錯(cuò)鉭形狀記憶合金材料在二元TiZr合金的基礎(chǔ)上，通過添加高純度的Ta元素，來改善合金的壓縮和拉伸力學(xué)性能，從而制成具有良好記憶效應(yīng)的鈦鋯鉭形狀記憶合金；
2.本發(fā)明鈦鋯鉭形狀記憶合金材料由于不含Ni元素，無生物毒性，使其作為生物醫(yī)用材料具有比TiNi形狀記憶合金更好的生物相容性；且由于Ta具有極高的抗腐蝕性，TiZr二元合金的耐腐蝕性能也比較優(yōu)良，因此為工業(yè)上的應(yīng)用提供了參考。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一(Ti5tlZr5tl)97Ta3合金材料在室溫的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一(Ti5tlZr5tl)97Ta3合金材料在室溫的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0015]圖3是本發(fā)明實(shí)施例一(Ti5tlZr5tl)97Ta3合金材料在室溫下拉伸到11 %預(yù)應(yīng)變時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0016]圖4是本發(fā)明實(shí)施例二是(Ti5tlZr5tl)95Ta5合金材料在室溫的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0017]圖5是本發(fā)明實(shí)施例二是(Ti5tlZr5tl)95Ta5合金材料在室溫的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0018]圖6是本發(fā)明實(shí)施例二是(Ti5tlZr5tl)95Ta5合金材料在室溫下拉伸到16 %預(yù)應(yīng)變時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0019]圖7是本發(fā)明實(shí)施例三是(Ti5tlZr5tl)93Ta7合金材料在室溫的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0020]圖8是本發(fā)明實(shí)施例三是(Ti5tlZr5tl)93Ta7合金材料在室溫的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0021]圖9是本發(fā)明實(shí)施例三是(Ti5tlZr5tl)93Ta7合金材料在室溫下拉伸到17 %預(yù)應(yīng)變時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0022]圖10是本發(fā)明實(shí)施例四是(Ti5tlZr5tl)91Ta9合金材料在室溫的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0023]圖11是本發(fā)明實(shí)施例四是(Ti5tlZr5tl)91Ta9合金材料在室溫的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0024]圖12是本發(fā)明實(shí)施例四是(Ti5tlZr5tl)91Ta9合金材料在室溫下拉伸到15 %預(yù)應(yīng)變時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，一種鈦鋯鉭形狀記憶合金材料(Ti5tlZr5tl) 97Ta3，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，由48.5 at.%的鈦、48.5 at.%的鋯以及3 at.%的鉭組成。
[0026]本實(shí)施例鈦鋯鉭形狀記憶合金材料(Ti5tlZr5tl) 97Ta3的制備方法，包括如下步驟:
a.分別稱取48.5 at%純度為99.99 %的Ti,48.5 at.%純度為99.9 %的Zr和3 at.%純度為99.99 %的Ta ；
b.將在所述步驟a中稱取的T1、Zr、Ta放入冷坩禍感應(yīng)懸浮熔煉設(shè)備中，抽真空至1X10—3 Torr，充入純度為5 N的高純氬氣，調(diào)節(jié)功率為40 kW預(yù)熱，再調(diào)節(jié)功率至100 kff進(jìn)行熔煉，然后使鈦鋯鉭合金熔體凝固，最后得到鈦鋯鉭形狀記憶合金鑄錠。
[0027]在本實(shí)施例中，參見圖1 ~圖3，采用線切割的方法，在本實(shí)施例制得的鈦鋯鉭形狀記憶合金中切取直徑d = 3 _，高度h = 6 mm的圓柱體作為壓縮力學(xué)性能測試樣品，采用CMT 5305型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為10_2 s_\溫度為室溫。其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，抗壓強(qiáng)度為1328 MPa，斷裂變形量為12.3 %。從本實(shí)施例制備的鈦鋯鉭形狀記憶合金鑄錠中切取拉伸力學(xué)性能測試樣品，其厚度為1.7 _，采用美特斯公司的MTS Criter1n Model 44的電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試，拉伸應(yīng)變速率為3X10_3 s—1，溫度為室溫。其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，拉伸強(qiáng)度為891MPa，斷裂變形量為14 %，塑性變形量為9 %。拉伸到11 %預(yù)應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，卸載后的應(yīng)變?yōu)?.3 %，加熱至相變溫度以上，樣品發(fā)生形狀回復(fù)，然后冷卻到室溫后測量形狀回復(fù)應(yīng)變，應(yīng)變回復(fù)到4.1 %，回復(fù)了 0.2 %。
[0028]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，一種鈦鋯鉭形狀記憶合金材料(Ti5tlZr5tl) 95Ta5，按照合金材料各組分的物質(zhì)的量的百分比來計(jì)算，由47.5 at.%的鈦、47.5 at.%的鋯以及5 at.%的鉭組成。
[0029]本實(shí)施例鈦鋯鉭形狀記憶合金材料(Ti5tlZr5tl) 95Ta5的制備方法，包括如下步驟:
a.分別稱取47.5 at.%純度為99.99 %的11、47.5 at.%純度為99.9 %的Zr和5at.% 純度為 99.99 % 的 Ta ；
b.本步驟與實(shí)施例一相同。
[0030]在本實(shí)施例中，參見圖4 ~圖6，采用線切割的方法，在本實(shí)施例制得的鈦鋯鉭形狀記憶合金中切取直徑d = 3 _，高度h = 6 mm的圓柱體作為壓縮力學(xué)性能測試樣品，采用CMT 5305型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)