一种低成本Ti-Zr基高温形状记忆合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种低成本Ti‑Zr基高温形状记忆合金及制备方法，属于金属材料及其制备领域。合金成分表达式为Ti

A low cost Ti Zr based high temperature shape memory alloy and preparation method thereof

The present invention relates to a low cost Ti Zr based high temperature shape memory alloy and a preparation method thereof, belonging to the field of metal material and its preparation. The composition of the alloy expression is TiaZrbNbcXdSneOfYg, X is one or more elements of Mo, Ta and W, and Y is one or more elements of Fe, Co, Ni; among them, 40 = a = 56, 40 = b = 56, 0< C = 7, 0 = D = 4 = 0. E = 3, 0 = f = 2, 0 = g = 0.5, a+b+c+d+e+f+g = 100. The proportion of elements in the component expression is the percentage of the atom. The alloy has simple body centered cubic and orthogonal two phase structure. By adjusting the proportion of alloy elements, high temperature shape memory alloys with different strength and shape memory effect can be obtained. The transition point is higher than 450 degrees Celsius, far higher than the existing Ti Nb based shape memory alloy. Compared the elements in the Ti Ni based high temperature shape memory alloy existing in cost has significant advantages. In addition, the shape memory alloy of the present invention has excellent plasticity and machinability.

【技术实现步骤摘要】
一种低成本Ti-Zr基高温形状记忆合金及其制备方法
本专利技术涉及金属材料及其制备领域，提供了一种成分为TiaZrbNbcXdSneOfYg的高温形状合金及其制备方法。
技术介绍
形状记忆效应和超弹性是某些呈现应力诱导马氏体相变的合金所具有的奇特性能，合金处于低温时发生变形，加热到临界温度通过逆相变恢复其原始状态，称为形状记忆效应。而不需要加热，卸载后恢复其原始状态，称为超弹性。Ti-Ni合金是众多形状记忆合金的杰出代表，因具有优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能和可加工性，已广泛应用于工程、航空航天和生物医学等领域。但Ti-Ni合金的马氏体相变温度低于100℃，其驱动元件使用温度一般低于这个温度，难以用于火灾预警系统、电流过载保护以及核反应堆中的驱动装置等。因此发展适用于较高温度环境的高温记忆合金一直是形状记忆合金领域的重要研究方向之一。在汽车、航空航天和能源化工等领域对于相转变温度高于100℃的形状记忆合金具有很大的需求。工业领域的需求要求高温形状记忆合金具有更高的相变温度和更大的形变回复量。目前，高温记忆合金主要有以下几类：Cu基高温记忆合金、Ni基高温记忆合金、Ni-Mn-Ga高温记忆合金、Ta-Ru和Nb-Ru高温记忆合金，Ti-Ni基高温记忆合金和Ti基高温记忆合金。尽管这些高温记忆合金各具优势，但都存在着一些难以克服的缺点，限制了高温记忆合金的发展和实际应用。例如，Cu基和Ni基高温记忆合金价格低廉但塑性较低、冷热加工性能差；Ta-Ru和Nb-Ru合金相变温度可超过1000℃，但其价格昂贵且加工成型困难；在广泛应用的Ti-Ni-Pd和Ti-Ni-Pt高温形状记忆合金体系中，随着Pd含量的提高，马氏体相变问题可以从室温提高到500℃以上，然而Pd，Pt和Au等贵金属的添加使得合金成本及其昂贵且难以加工成型。为了降低成本，Ni-Ti-(Hf/Zr)高温形状记忆合金体系被广泛研究。在该体系中相变温度低于400℃，且为了得到高相变温度往往会导致很差的加工性能。上述可知，加工成型性能差、成本高昂是目前高温记忆合金普遍存在的问题。因此，开发制备出一种加工性能优异、相变温度高、形状记忆能力强且成本低廉的高温形状记忆合金具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发出一种低成本的Ti-Zr基高温形状记忆合金。该合金具有简单的体心立方和正交两相结构，通过调整合金元素的比例可获得具有不同强度和形状记忆效应的高温形状记忆合金。相变点高于450℃，远高于现有的Ti-Nb基形状记忆合金。本专利技术所使用的元素相比于现有的Ti-Ni基高温形状记忆合金在成本上具有巨大的优势。另外，本专利技术的形状记忆合金具有优异的塑性和可加工性能。本专利技术的Ti-Zr基高温形状记忆合金，其特征在于化学成分表达式为TiaZrbNbcXdSneOfYg，X为Mo、Ta和W中的一种或多种元素，Y为Fe、Co、Ni中的一种或多种元素；其中，40≤a≤56，40≤b≤56，0&lt;c≤7，0≤d≤4，0≤e≤3，0≤f≤2，0≤g≤0.5，a+b+c+d+e+f+g＝100。成分表达式中的元素比例为原子百分比。由于Nb和Ta属于同一族元素，Mo和W属于同一族元素，X和Nb元素可以组合替换；Y在本专利技术成分中为微量添加。在上述合金中，当f＝g＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcXdSne，其特征在于40≤a≤56，40≤b≤56，0&lt;c≤7，0≤d≤3，0≤e≤3，a+b+c+d+e＝100。在上述TiaZrbNbcXdSne合金中，当d＝e＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbc，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，3≤c≤7，a+b+c＝100。在上述TiaZrbNbcXdSne合金中，当e＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcMod，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，0&lt;c≤6，0&lt;d≤3，a+b+c+d＝100。在上述TiaZrbNbcXdSne合金中，当d＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcSne，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，2&lt;c≤6，0&lt;e≤3，a+b+c+e＝100。在上述TiaZrbNbcXdSneOfYg合金中，当d＝e＝g＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcOf，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，3≤c≤6，0≤f≤2，a+b+c+f＝100。在上述TiaZrbNbcXdSneOfYg合金中，当g＝0时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcModSneOf，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，0&lt;c≤4，0&lt;d≤3，0&lt;e≤3，0&lt;f≤2，a+b+c+d+e+f＝100。在上述TiaZrbNbcXdSneOfYg合金中，当Y选取Fe元素时，所述合金组成可表示为TiaZrbNbcModSneOfFeg，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，0&lt;c≤5，0&lt;d≤3，0&lt;e≤3，0&lt;f≤2，0&lt;g≤0.5，a+b+c+d+e+f+g＝100。本专利技术所采用的高温形状记忆合金制备方法包括：(1)使用的原料Ti和Zr纯度不低于99.5％，Nb的纯度不低于99.7％，其余原料纯度不低于99.9％，O元素以颗粒状ZrO2或者TiO2的形式加入；(2)使用砂纸和砂轮机去除金属原料的表面氧化皮，按照摩尔比进行精确称量配比并使用乙醇超声波清洗原料；(3)使用真空自耗、非自耗电弧炉或者真空悬浮熔炼炉熔炼合金，对炉体抽真空至真空度≤1×10-2Pa；(4)合金熔炼2-4遍，保证熔炼均匀。本专利技术的Ti-Zr基高温形状记忆合金与现有含有贵金属的高温形状记忆合金相比，具有相当的形状记忆效应，巨大的价格优势和加工性能优势；与现有Ti-Nb基形状记忆合金相比，具有相当的形状记忆效应和高得多的马氏体相变点，从而更能满足高温环境下的使用；与现有的其他Ti基形状记忆合金相比，具有相当的马氏体相变点和高得多的形状记忆效应。因此，本专利技术是一种全新的高温形状记忆合金，具有巨大的高温形状记忆领域应用潜力。附图说明图1为实施例拉伸前后的XRD图谱：(a)2#，(b)3#。图2为实施例的DSC曲线：(a)1#，(b)2#，(c)4#，(d)5#，(e)6#和(f)7#。图3为实施例1#和2#的室温拉伸曲线。图4为实施例室温拉伸卸载曲线及高温回复后的残余变形量，其中虚线表示高温加热后残余的变形量：(a)1#样品3％卸载，(b)1#样品6％卸载，(c)2#样品7％卸载，(d)3#样品7％卸载，(e)4#样品7％卸载，(f)5#样品7％卸载，(g)6#样品6％卸载，(h)7#样品6％卸载。具体实施方式1、合金制备1)原料准备本专利技术使用的原料Ti和Zr纯度不低于99.5％，Nb的纯度不低于99.7％，其余原料纯度不低于99.9％，O元素以颗粒状ZrO2或者TiO2的形式加入。利用机械方法去除原料金属的表面氧化皮，并使用工业乙醇超声波震荡清洗原料金属。合金成分见表1。表1高温形状记忆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ti‑Zr基高温形状记忆合金，其特征在于化学成分表达式为TiaZrbNbcXdSneOfYg，X为Mo、Ta和W中的一种或多种元素，Y为Fe、Co、Ni中的一种或多种元素；其中，40≤a≤56，40≤b≤56，0<c≤7，0≤d≤4，0≤e≤3，0≤f≤2，0≤g≤0.5，a+b+c+d+e+f+g＝100。成分表达式中的元素比例为原子百分比。

【技术特征摘要】
1.一种Ti-Zr基高温形状记忆合金，其特征在于化学成分表达式为TiaZrbNbcXdSneOfYg，X为Mo、Ta和W中的一种或多种元素，Y为Fe、Co、Ni中的一种或多种元素；其中，40≤a≤56，40≤b≤56，0&lt;c≤7，0≤d≤4，0≤e≤3，0≤f≤2，0≤g≤0.5，a+b+c+d+e+f+g＝100。成分表达式中的元素比例为原子百分比。2.根据权利要求1所述的一种Ti-Zr基高温形状记忆合金，当f＝g＝0时，其组成表示为TiaZrbNbcXdSne，其特征在于40≤a≤56，40≤b≤56，0&lt;c≤7，0≤d≤3，0≤e≤3，a+b+c+d+e＝100。3.根据权利要求2所述的一种Ti-Zr基高温形状记忆合金，当d＝e＝0时，其组成表示为TiaZrbNbc，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，3≤c≤7，a+b+c＝100。4.根据权利要求2所述的一种Ti-Zr基高温形状记忆合金，当e＝0时，其组成表示为TiaZrbNbcXd，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，0&lt;c≤6，0&lt;d≤3，a+b+c+d＝100。5.根据权利要求2所述的一种Ti-Zr基高温形状记忆合金，当d＝0时，其组成表示为TiaZrbNbcSne，其特征在于40≤a≤54，40≤b≤54，2&lt;c≤6，0&lt;e≤3，a+b...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠希东，吴一栋，王钦佳，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11