高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，所述形状记忆合金的制备方法：首先采用定向凝固方法制备具有高超弹性的柱状晶组织Cu-Al-Mn合金坯料，再通过热处理提升所述合金坯料的马氏体相变临界应力，从而获得具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金。本发明专利技术制备的Cu-Al-Mn形状记忆合金具有柱状晶组织，室温下相组成包括β奥氏体与贝氏体，所述形状记忆合金的超弹性可达5%-10%，马氏体相变临界应力可达440MPa-700MPa，抗拉强度可达500MPa～800MPa，弹性模量可达30GPa～60GPa，维氏硬度为290Hv～370Hv。

【技术实现步骤摘要】
高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金及制备方法
本专利技术属于金属材料制备领域，涉及一种高超弹性高马氏体相变临界应力Cu-Al-Mn形状记忆合金的制备方法。
技术介绍
形状记忆合金是一种集感知和驱动于一体的智能材料，可以制成传感器、探测器、阻尼器件、能量转换器以及智能微型装置等，广泛应用于电子通信、医疗卫生、机械制造、航空航天、能源化工以及日常生活等众多领域。Cu-Al-Mn形状记忆合金是一种重要的Cu基形状记忆合金，由于其价格低廉(相当于NiTi形状记忆合金的1/10)、形状记忆性能良好，且导热导电性能优异，已成为最具应用潜力的新型形状记忆合金。随着材料智能化和智能系统的不断发展，对形状记忆合金的综合性能提出了更高的要求，其中高超弹性和高马氏体相变临界应力是最主要的性能发展趋势。然而，常规铸造方法制备的普通多晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性仅为3％左右，马氏体相变临界应力一般小于400MPa；而单晶Cu-Al-Mn形状记忆合金超弹性虽然可达10％以上，但其马氏体相变临界应力仅为100MPa左右，导致合金应用时所能提供的驱动力和疲劳强度都很低，极大的限制了合金的应用。一般来讲，提升金属材料强度的主要方法有添加合金元素、细晶强化、形变强化和热处理强化等。但对于形状记忆合金，添加合金元素会严重影响合金的相变温度、超弹性和形状记忆性能等重要使用性能，例如添加Zn、Fe、Co、Ni、Ti等合金元素会在一定程度提高合金的强度，但是会严重的降低合金的超弹性和形状记忆性能。制备细晶或超细晶组织形状记忆合金，合金的强度和韧性会得到提升，但由于晶界的大量增多，对马氏体相变的阻碍作用显著增大，会导致合金的超弹性和形状记忆性能严重下降。形变强化的效果与细晶强化类似，由于位错等缺陷的大量产生，也会导致合金使用性能的恶化。热处理强化是一种可行的形状记忆合金强化方法。在一定温度范围内对Cu-Al-Mn形状记忆合金进行热处理，合金可析出具有高硬度、高强度的贝氏体相，从而提升形状记忆合金的硬度、马氏体相变临界应力和疲劳强度等(析出强化)，且合金的超弹性随热处理温度和时间的升高(延长)缓慢下降。单晶Cu-Al-Mn形状记忆合金经热处理后其强度虽然能够获得提升，但由于单晶体中不存在晶界，热处理后合金的马氏体相变临界应力不超过400MPa。目前，制备同时具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金仍面临极大的挑战。
技术实现思路
本专利技术基于柱状晶组织形状记忆合金具有高超弹性以及贝氏体析出可大幅提升Cu-Al-Mn形状记忆合金马氏体相变临界应力的特点，通过采用定向凝固+热处理的制备方法，对合金组织和相组成进行精确控制，从而获得同时具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金。本专利技术的目的在于提供一种具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金及其制备方法，解决目前高超弹性高马氏体相变临界应力Cu基形状记忆合金制备困难的问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，所述形状记忆合金的制备方法具体是：首先采用定向凝固方法制备具有高超弹性的柱状晶组织Cu-Al-Mn合金坯料，再通过热处理提高所述合金坯料的马氏体相变临界应力，从而获得具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金。进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤：(1)材料的准备及配比：以纯度均高于99.9％的无氧铜、电解铝和电解锰为原料；配比时，以原子数百分含量计，选取的铝、铜及锰的含量分别为：铝：16at％～24at％，锰：9at％～13at％，铜：63at％～75at％；(2)制备合金坯料：将步骤(1)中配比的原料进行熔炼，熔炼温度为1100℃～1200℃；然后进行定向凝固，所述定向凝固过程采用石墨铸型周向加热，所述石墨铸型温度为1000℃～1100℃，所述石墨铸型置于铜模底座上，所述铜模底座的冷却方式为水冷，将熔炼获得的金属液注入石墨铸型，然后停止对所述石墨铸型周向加热，所述金属液自下而上定向凝固，制备获得Cu-Al-Mn合金坯料；(3)马氏体相变开始温度Ms的测量：测量步骤(2)所制备的Cu-Al-Mn合金坯料的马氏体相变开始温度Ms，所述马氏体相变开始温度Ms的测量方法为差热分析法或电阻测量法；(4)制备Cu-Al-Mn形状记忆合金：对步骤(2)中制备的所述Cu-Al-Mn合金坯料进行热处理，热处理条件：热处理温度高于马氏体相变开始温度Ms200℃-500℃；热处理时间为1min-100h，热处理后进行空冷或水淬，获得所述Cu-Al-Mn形状记忆合金。进一步地，步骤(2)制备合金坯料过程中，制备获得的所述Cu-Al-Mn合金坯料为柱状晶组织，所述Cu-Al-Mn合金坯料由β奥氏体单相组成。进一步地，步骤(4)中所述热处理温度和所述热处理时间是根据热处理后合金的性能确定的，所述热处理后合金的性能与所述热处理温度及所述热处理时间的关系满足公式[1]：y(T，t)＝y∞+(y0-y∞)/{1+[a·exp(-b·T)·t]n}[1]公式[1]中：y(T，t)表示在热处理温度为T、热处理时间为t的条件下热处理后合金的性能，所述热处理后合金的性能包括马氏体相变临界应力、抗拉强度、硬度、弹性模量及超弹性中的全部或其中任意的组合；y0表示热处理前合金的性能值，热处理前t＝0；y∞表示热处时间无限长时合金的性能值，所述热处时间无限长是指t≥100h；公式[1]中a、b和n为材料常数。进一步地，公式[1]中材料常数a、b和n以及制备所述Cu-Al-Mn形状记忆合金所需的热处理处理温度T和热处理处理时间t的计算方法包括如下步骤：(1)热处理预实验：在高于马氏体相变开始温度Ms200℃～500℃的温度范围内选取不少于4个热处理温度T值，并在1min～100h的时间范围内选取不少于4个热处理时间t值进行热处理预实验，所述热处理预实验中所述热处理温度T和热处理时间t的选取应尽量分散，并保证有一组预实验中的热处理时间t为100h；(2)合金性能测试：将步骤(1)热处理预实验前以及热处理预实验后的合金样品进行合金性能测试，所述合金性能包括马氏体相变临界应力、抗拉强度、硬度、弹性模量及超弹性，测得所述热处理前合金的性能值y0、热处时间无限长时合金的性能值y∞值和一系列不同热处理温度及时间的y(T，t)值，然后根据公式[1]对数值进行拟合，得到a、b和n的值；(3)制备所述Cu-Al-Mn形状记忆合金所需的热处理温度T和热处理时间t的计算：首先确定所要制备的所述Cu-Al-Mn形状记忆合金的合金性能y，然后将步骤(2)中的测得的材料常数a、b和n的值以及所述Cu-Al-Mn形状记忆合金的合金性能y代入式(1)中，即可计算出制备所述Cu-Al-Mn形状记忆合金所需的热处理温度T和热处理时间t。进一步地，步骤(1)热处理预实验中所述热处理时间为1min～100h，且有一组预实验的热处理时间为100h。具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金，根据所述的高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法制备获得，以原子数百分含量计，所述Cu-Al-Mn形状本文档来自技高网...

【技术保护点】
高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述形状记忆合金的制备方法具体是：首先采用定向凝固方法制备具有高超弹性的柱状晶组织Cu‑Al‑Mn合金坯料，再通过热处理提高所述合金坯料的马氏体相变临界应力，从而获得具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu‑Al‑Mn形状记忆合金。

【技术特征摘要】
1.高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述形状记忆合金的制备方法具体是：首先采用定向凝固方法制备具有高超弹性的柱状晶组织Cu-Al-Mn合金坯料，再通过热处理提高所述合金坯料的马氏体相变临界应力，从而获得具有高超弹性和高马氏体相变临界应力的Cu-Al-Mn形状记忆合金；热处理后出现针片状的贝氏体析出相，热处理条件：热处理温度高于马氏体相变开始温度Ms200℃-500℃；热处理时间为1min-100h；室温下所述Cu-Al-Mn形状记忆合金的相组成包括β奥氏体与贝氏体。2.根据权利要求1所述高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：(1)材料的准备及配比：以纯度均高于99.9％的无氧铜、电解铝和电解锰为原料；所述原料中铝、铜及锰的含量分别为：铝：16at％～24at％，锰：9at％～13at％，铜：63at％～75at％；(2)制备合金坯料：将步骤(1)中配比的原料进行熔炼，熔炼温度为1100℃～1200℃；然后进行定向凝固，所述定向凝固过程采用石墨铸型周向加热，所述石墨铸型温度为1000℃～1100℃，所述石墨铸型置于铜模底座上，所述铜模底座的冷却方式为水冷，将熔炼获得的金属液注入石墨铸型，然后停止对所述石墨铸型周向加热，所述金属液自下而上定向凝固，制备获得Cu-Al-Mn合金坯料；(3)马氏体相变开始温度Ms的测量：测量步骤(2)所制备的Cu-Al-Mn合金坯料的马氏体相变开始温度Ms，所述马氏体相变开始温度Ms的测量方法为差热分析法或电阻测量法；(4)制备Cu-Al-Mn形状记忆合金：对步骤(2)中制备的所述Cu-Al-Mn合金坯料进行热处理，热处理后进行空冷或水淬，获得所述Cu-Al-Mn形状记忆合金。3.根据权利要求2所述高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)制备合金坯料过程中，制备获得的所述Cu-Al-Mn合金坯料为柱状晶组织，所述Cu-Al-Mn合金坯料由β奥氏体单相组成。4.根据权利要求2所述高超弹性高马氏体相变临界应力形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述热处理温度和所述热处理时间是根据热处理后合金的性能确定的，所述热处理后合金的性能与所述热处理温度及所述热处理时间的关系满足公式[1]：y(T,t)＝y∞+(y0-y∞)/{1+[a·exp(-b·T)·t]n}[1]公式[1]中：y(T,t)表示在热处理温度为T、热处理时间为t的条件下热处理后合金的性能，所述热处理后合金的性能包括马氏体相变临界应力、抗拉强度、硬度、弹性模量及超弹性中的全部或其中任意的组合；y0表示热处理前合金的性能值，热处理前t＝0；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海友，刘记立，谢建新，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11