一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法

技术领域

本发明涉及改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

背景技术

高温形状记忆合金是指相变温度高于100℃，能够在100℃以上产生形状记忆效应的记忆合金材料，其同时还需具有优良的可恢复应变、抗塑性变形以及阻尼性能，以满足在航空航天等高温环境下使用的要求。目前已有的高温形状记忆合金存在一些不足，如Ni-Ti-X(X为Pd、Au、Pt)添加了大量贵金属，成本高昂；Ni-Mn-Ga基合金具有加工性能差，具有较大的脆性和较低的韧性。β-Ti基形状记忆合金(如Ti-Ta，Ti-Nb)具有优异的冷加工性能、耐腐蚀性能以及力学性能，易于加工成丝材和棒材，是具有良好应用前景的一类高温形状记忆合金。

目前，所研究的高温形状记忆合金的相变温度大多位于较高的温度区间，工作温度位于100℃～200℃之间的高温形状记忆合金较少。Ti-Ta形状记忆合金的相变温度最高可达500℃左右，通过调整Ta含量很容易将相变温度调整至100℃～200℃之间。同时Ti-Ta形状记忆合金具有优异的冷加工性能，被认为是相变温度在100℃～200℃之间最合适的高温形状记忆合金。但Ti-Ta合金的形状记忆效应较差，研究大多关注于通过元素掺杂来提升β-Ti基高温形状记忆合金的性能。如在Ti-Ta合金中掺杂Zr元素，虽然提升了合金的形状记忆效应，但由于Zr元素会导致导致晶格畸变，进而使合金塑性变差，Ti-15Ta-15Zr合金的加工性能变差，限制了其应用。因此，通过深冷处理的方式提升Ti-Ta形状记忆合金形状记忆效应具有重大意义。

发明内容

本发明要解决现有β-Ti基高温形状记忆合金通过元素掺杂提升形状记忆效应，会导致加工性能变差，以及Ti-Ta形状记忆合金的形状记忆效应较差的问题，进而提供一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法，它是按以下步骤进行：

一、称取原料：

按照β钛基高温形状记忆合金名义成分称取原料；

二、采用电弧熔炼法制备合金铸锭：

在磁力搅拌下，采用电弧熔炼法熔炼，得到合金铸锭；

三、均质处理：

将合金铸锭依次进行均质处理及冰水淬火，得到均质化的合金铸锭；

四、轧制合金板材：

将均质化的合金铸锭依次进行预热、热轧及冷轧，得到合金板材；

五、深冷处理与热处理复合处理：

将合金板材进行切割、清洗及去氧化皮，然后置于温度为-130℃～-196℃的条件下保温0.5h～12h，得到深冷处理的合金板材，然后将深冷处理的合金板材依次进行退火处理及冰水淬火，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法；

或者将合金板材进行切割、清洗、去氧化皮及退火处理，然后置于温度为-130℃～-196℃的条件下保温5min～12h，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过低温处理与传统热处理工艺相结合的方法，使得β-Ti基高温形状记忆合金形状记忆效应得到了提升。预应变为4％，经过低温处理的Ti-31Ta合金的可回复应变最大可达3.0％，其中由马氏体相变引起的回复应变最大达2.1％；经过低温处理的Ti-32Ta合金的可回复应变最大可达2.89％。

2、本发明由于通过低温处理与传统热处理工艺相结合的方法，经过低温处理的Ti-31Ta合金拥有更加清楚的马氏体再取向平台，抗拉强度为684MPa，延伸率为11.4％；Ti-32Ta合金抗拉强度为667MPa，伸率为12％，合金的综合力学性能得到改善。

3、相对于传统元素掺杂方式，本发明利用低温处理提升β-Ti基高温形状记忆合金的性能，提升了Ti-Ta形状记忆合金的形状记忆效应，对于Ti-Ta形状记忆合金在100℃～200℃的实际应用具有重大意义，可用于已确定成分合金性能的提升。

本发明用于一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

附图说明

图1为实施例一及对比实验一制备的Ti-31Ta合金拉伸应力应变曲线，1为实施例一制备的Ti-31Ta合金，2为对比实验一制备的Ti-31Ta合金；

图2为实施例一及对比实验一制备的Ti-31Ta合金的可恢复应变图，a为对比实验一制备的Ti-31Ta合金，b为实施例一制备的Ti-31Ta合金，1为马氏体回复部分，2为弹性体回复部分；

图3为实施例二及对比实验二至三制备的Ti-32Ta高温形状记忆合金的拉伸应力应变曲线，1为实施例二制备的Ti-32Ta合金，2为对比实验二制备的Ti-32Ta合金，3为对比实验三制备的Ti-32Ta合金；

图4为实施例二及对比实验二至三制备的Ti-32Ta高温形状记忆合金的可回复应变图，1为实施例二制备的Ti-32Ta合金，2为对比实验二制备的Ti-32Ta合金，3为对比实验三制备的Ti-32Ta合金。

具体实施方式

本发明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：本实施方式一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法，它是按以下步骤进行：

一、称取原料：

按照β钛基高温形状记忆合金名义成分称取原料；

二、采用电弧熔炼法制备合金铸锭：

在磁力搅拌下，采用电弧熔炼法熔炼，得到合金铸锭；

三、均质处理：

将合金铸锭依次进行均质处理及冰水淬火，得到均质化的合金铸锭；

四、轧制合金板材：

将均质化的合金铸锭依次进行预热、热轧及冷轧，得到合金板材；

五、深冷处理与热处理复合处理：

将合金板材进行切割、清洗及去氧化皮，然后置于温度为-130℃～-196℃的条件下保温0.5h～12h，得到深冷处理的合金板材，然后将深冷处理的合金板材依次进行退火处理及冰水淬火，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法；

或者将合金板材进行切割、清洗、去氧化皮及退火处理，然后置于温度为-130℃～-196℃的条件下保温5min～12h，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

本实施方式的有益效果是：

1、本实施方式通过低温处理与传统热处理工艺相结合的方法，使得β-Ti基高温形状记忆合金形状记忆效应得到了提升。预应变为4％，经过低温处理的Ti-31Ta合金的可回复应变最大可达3.0％，其中由马氏体相变引起的回复应变最大达2.1％；经过低温处理的Ti-32Ta合金的可回复应变最大可达2.89％。

2、本实施方式由于通过低温处理与传统热处理工艺相结合的方法，经过低温处理的Ti-31Ta合金拥有更加清楚的马氏体再取向平台，抗拉强度为684MPa，延伸率为11.4％；Ti-32Ta合金抗拉强度为667MPa，伸率为12％，合金的综合力学性能得到改善。

3、相对于传统元素掺杂方式，本实施方式利用低温处理提升β-Ti基高温形状记忆合金的性能，提升了Ti-Ta形状记忆合金的形状记忆效应，对于Ti-Ta形状记忆合金在100℃～200℃的实际应用具有重大意义，可用于已确定成分合金性能的提升。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的β钛基高温形状记忆合金的名义成分为Ti-31Ta(at％)或Ti-32Ta(at％)。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中在磁力搅拌下，采用电弧熔炼法熔炼具体是按以下步骤进行：①采用电弧熔炼法，在真空度小于5×10

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三在真空度小于5×10

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中所述的预热具体是在温度为800℃～900℃的条件下，保温15min～45min。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中所述的热轧具体是按以下步骤进行：在温度为800℃～900℃的条件下热轧多次，每次压下量为0.1mm～0.3mm，直至热轧变形率达到30％～50％。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中所述的冷轧具体是按以下步骤进行：在室温下冷轧多次，每次轧制压下量小于0.02mm，直至冷轧变形率达到70％～90％。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中所述的合金板材厚度为1mm～2mm。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五中所述的退火处理具体是在真空度小于5×10

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五中所述的冰水淬火具体是在温度为0℃的冰水混合物中进行淬火0.5min～5min。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法，它是按以下步骤进行：

一、称取原料：

按照β钛基高温形状记忆合金名义成分为Ti-31Ta(at％)称取纯度为99.9％的钛粒及纯度为99.95％的钽片为原料；

二、采用电弧熔炼法制备合金铸锭：

①采用电弧熔炼法，在真空度小于5×10

②将一次熔炼铸锭按步骤①重复8次，得到合金铸锭；

三、均质处理：

在真空度小于5×10

四、轧制合金板材：

将均质化的合金铸锭依次进行预热、热轧及冷轧，得到合金板材；

五、深冷处理与热处理复合处理：

将合金板材进行切割、清洗及去氧化皮，然后置于温度为-196℃的条件下保温3h，得到深冷处理的合金板材，然后将深冷处理的合金板材依次进行退火处理及冰水淬火，得到Ti-31Ta合金，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法。

步骤四中所述的预热具体是在温度为850℃的条件下，保温30min。

步骤四中所述的热轧具体是按以下步骤进行：在温度为800℃～850℃的条件下热轧多次，每次压下量为0.1mm～0.3mm，直至热轧变形率达到30％。

步骤四中所述的冷轧具体是按以下步骤进行：在室温下冷轧多次，每次轧制压下量小于0.02mm，直至冷轧变形率达到70％。

步骤四中所述的合金板材厚度为1.5mm。

步骤五中所述的退火处理具体是在真空度小于5×10

步骤五中所述的冰水淬火具体是在温度为0℃的冰水混合物中进行淬火5min，使合金铸锭冷却到0℃。

对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：步骤五中取消深冷处理，将合金板材进行切割、清洗及去氧化皮，然后进行退火处理及冰水淬火。其它与实施例一相同。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤一中合金名义成分为Ti-32Ta(at％)；步骤五中将合金板材进行切割、清洗、去氧化皮及退火处理，然后置于温度为-196℃的条件下保温5min，即完成低温处理改善β钛基高温形状记忆合金性能的方法；步骤五中所述的退火处理具体是在真空度小于5×10

对比实验二：本实施例与实施例二不同的是：取消步骤四；步骤五退火时间为120min。其它与实施例二相同。

对比实验三：本对比实验与实施例二不同的是：取消步骤四；步骤五中取消深冷处理，步骤五中将合金板材进行切割、清洗及去氧化皮，然后进行退火处理及冰水淬火；步骤五中所述的退火处理具体是在真空度小于5×10

采用电子万能试验机(100KN)测量合金的室温拉伸应力应变曲线，拉伸速率为3mm/min；图1为实施例一及对比实验一制备的Ti-31Ta合金拉伸应力应变曲线，1为实施例一制备的Ti-31Ta合金，2为对比实验一制备的Ti-31Ta合金；由图可知，经过低温处理的Ti-31Ta合金拥有更加清楚的马氏体再取向平台，抗拉强度为684MPa，相较于未低温处理提升了39MPa，延伸率为11.4％，相较于未低温处理提升了1.3％。

采用弯曲法测量合金的可恢复应变，合金的预应变为4％；图2为实施例一及对比实验一制备的Ti-31Ta合金的可恢复应变图，a为对比实验一制备的Ti-31Ta合金，b为实施例一制备的Ti-31Ta合金，1为马氏体回复部分，2为弹性体回复部分；由图可知，合金的可回复应变由马氏体回复部分和弹性回复部分二者构成，经过低温淬火的Ti-31Ta合金马氏体回复应变变化更明显，从1.9％增至2.1％，弹性回复部分从1.0％降至0.9％，即经过低温处理的Ti-31Ta合金的可回复应变最大可达3.0％，合金的形状记忆效应增强。

采用电子万能试验机(100KN)测量合金的室温拉伸应力应变曲线，拉伸速率为3mm/min；图3为实施例二及对比实验二至三制备的Ti-32Ta高温形状记忆合金的拉伸应力应变曲线，1为实施例二制备的Ti-32Ta合金，2为对比实验二制备的Ti-32Ta合金，3为对比实验三制备的Ti-32Ta合金；由图可知，实施例二制备的Ti-32Ta合金抗拉强度为667MPa，伸率为12％；对比实验二制备的Ti-32Ta合金的抗拉强度为641MPa，延伸率为18.3％；对比实验三制备的Ti-32Ta合金的抗拉强度为596MPa，延伸率为19.3％；由此可知，液氮淬火大幅度提升了Ti-32Ta高温形状记忆合金的抗拉强度。

采用弯曲法测量合金的可恢复应变，合金的预应变为4％。图4为实施例二及对比实验二至三制备的Ti-32Ta高温形状记忆合金的可回复应变图，1为实施例二制备的Ti-32Ta合金，2为对比实验二制备的Ti-32Ta合金，3为对比实验三制备的Ti-32Ta合金；实施例二制备的Ti-32Ta合金，可回复应变为2.89％；对比实验二制备的Ti-32Ta合金，可回复应变为2.72％；对比实验三制备的Ti-31Ta合金，可回复应变为2.35％；由此可知，合金轧制处理提升了Ti-32Ta高温形状记忆合金的可回复应变。