一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金及其制备方法，属于铁基超弹性合金技术领域。其化学成分及质量百分含量为：Ni：30～40%，Al：5～15%，Ti：0.5～5%，Cr：0.5～5%，Mo:0.5～5%，Y:0.01～0.1%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。其制备方法包括真空冶炼、保护气氛电渣重熔二次精炼、均质化热处理和热轧、定向退火、循环热处理、淬火和时效处理工序。本发明专利技术通过成分及生产工艺的结合，在大幅度提高单晶制备效率的同时获得较高的应变回复性能，所制备的铁基超弹性合金单晶晶粒尺寸≥66mm，应变回复能力≥7.1%。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超弹性合金，具体涉及一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金及其制备方法。
技术介绍
1、超弹性合金在外力作用下能够产生远超弹性极限的应变，并且在应力卸载后能够恢复到变形前的状态，这种特殊的具有形状记忆效应的力学行为特性使其在汽车机械、航空航天、减振抗震、智能传感器等众多领域具有广泛的应用。在过去的几十年中，研究人员对价格相对低廉的铁基超弹性合金的开发给予了高度的重视。femnsi系合金以接近室温的马氏体相变起始温度、较好的形状记忆效应被认为是极具发展潜力的形状记忆合金，但是由于其马氏体相变热滞较高(＞100℃) ，为半热弹性，故其超弹性较差。fept系合金的研究与应用受制于 pt 元素价格昂贵，不具有大规模应用的潜质。fenicoal系合金的超弹性对强再结晶织构具有很强的依赖性，仅在 98. 5%压下量冷轧的薄板中才能获得良好的超弹性。femnalni基合金需要在单晶或柱状晶的显微结构下才能表现出良好的超弹性，目前现有的femnalni基合金中，提高单晶制备效率往往会伴随着提高合金的沿晶断裂倾向，使得制备效率与材料性能不能同步提高，这就导致该类合金在工程实际生产和应用中存在困难。
2、超弹性合金的超弹性能与其马氏体相变机制密切相关，掌握其马氏体相变规律是开发和优化超弹性合金的前提，研究材料中的马氏体相变对理解与改善材料的力学性能，尤其是超弹性有着非常重要的意义，其中控制成分和相组成是其发展的一个重要方向。本专利技术通过对合金成分体系及其生产工艺进行重新设计，制备出一种高应变回复能力铁基超弹性合金。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种高应变回复能力铁基超弹性合金及其制备方法，基于大量的研究工作基础，确定合金的成分配比及生产控制要点。
2、本专利技术的目的可采用如下技术方案来实现：
3、本专利技术所涉及的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的化学成分组成及质量百分含量如下：ni：30～40%，al：5～15%，ti：0.5～5%，cr：0.5～5%，mo:0.5～5%，y:0.01～0.1%，余量为fe和不可避免的杂质元素。
4、其中，ti、cr、mo、y元素的质量百分含量满足关系式：
5、ti+cr+mo+y：3～10%，且1＜ti/cr＜1.5。
6、上述各元素的作用及配比依据如下：
7、ti、cr：在fenial系合金中添加少量的ti可以显著促进晶粒异常长大，而添加少量的cr则抑制了晶粒异常长大，通过调整和促进晶粒异常长大，可以获得尺寸较大的单晶棒，从而促进该合金超弹性能的提升，这就对ti和cr成分比例提出了要求，经过大量的实验研究发现，当1＜ti/cr的质量比＜1.5时，能够获得较大尺寸的单晶，这对改善fenial系合金的超弹性具有积极的影响。另外，fenial系合金对淬火速率非常敏感，如果冷速过快，就会出现沿晶界裂纹，如果冷速太慢，就会形成对性能不利的γ相，通过添加一定的ti，能够一定程度上降低fenial系合金的淬火敏感性，经过多次模拟及实验论证，ti的重量百分比控制在0.5%-5%时，能够明显降低合金的淬火敏感性。因此，将ti的重量百分比控制在0.5%-5%、cr的重量百分比控制在0.5%-5%, 且1＜ti/cr的质量比＜1.5，能够在明显提高其单晶制备效率的同时一定程度降低其淬火敏感性，从而提高其超弹性能。
8、mo：从合金成分的角度来控制 fenial系合金相组成，其关键在于稳定α相和控制γ相的析出状态。研究表明，铁素体稳定元素的增加会剧烈抑制γ相的析出，mo是一种铁素体稳定元素，同时能够改变γ相的析出状态，获得更加细小、针状的γ相，这种韧性γ相可以降低fenial系合金的裂纹敏感性，改善因淬火导致的沿晶断裂倾向。另外在fenial系超弹性合金，共格纳米相（b2）与其超弹性密切相关，b2相通过抑制位错滑移强化基体并提供弹性能改善相变热弹性，在本专利技术中，通过加入一定量的mo元素可以降低b2相在热处理过程中的晶界迁移速度，使得直接析出一定尺寸的b2相，提高b2相与集体α相的共格度，从而改善合金的超弹性能。经过大量的实验论证，将mo的重量百分比控制在0.5%-5%，对于提高合金的应变回复能力具有非常有利的作用。
9、y：稀土元素y是在fenial系合金中可以充当脱氧剂角色，能有效降低合金中的氧含量，明显改善合金的力学性能；另外，添加少量的稀土元素y可以净化合金晶界，使得晶界处合金的杂质元素少，晶界影响区小，使得合金的热弹性马氏体相变及其阻力减小，合金的有序度提高，塑性变形变得较为困难，因此合金的超弹性能得到提高。而当y含量大于一定量后，其具有明显的晶粒细化效果，使得较细的晶界明显增多，马氏体相变时相界面越过晶界要消耗更多的不可逆的热量，同时合金的有序性也降低，对其超弹性能产生有害影响，经过多次模拟及实验论证，将y的重量百分比控制在0.01-0.1%，对其改善合金的超弹性能具有积极的作用。
10、通过添加上述ti、cr、mo、y合金元素可以调整相变温度和滑移临界应力使得应力诱发马氏体相变更易发生，从而提高合金的超弹性能，然而当合金元素的添加量过高时，会降低母相的有序度，从而导致热弹性马氏体相变转变为非热弹性马氏体相变，使得其超弹性能严重降低，经过多次模拟及实验论证，将ti+cr+mo+y的总重量百分比控制在3～10%，对于提高合金的超弹性能比较有利。
11、上述高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法包括：真空冶炼、保护气氛电渣重熔二次精炼、均质化热处理和热轧、定向退火、循环热处理、淬火和时效处理工序；
12、所述均质化热处理和轧制工序包括加热、轧制、冷却三个步骤；
13、加热：采用两段式加热，第一段为升温至800～900℃保温2～4h；第二段为升温至1100～1300℃保温24～48h；
14、轧制：采用单向轧制的方式，轧制温度控制在950～1050℃；
15、冷却：轧制完成后采用空冷或砂冷的方式，冷却结束温度≤200℃。
16、进一步的，所述两段式加热，第一段、第二段的升温速率均为10～20℃/h。
17、进一步的，所述定向退火工序，对轧制坯进行区域加热，加热区域宽度为1～100mm，同时控制加热区域温度为1100～1300℃并设置温度梯度为1～500℃/mm的温度场，使轧制坯以1～300μm/s的速率穿过温度场。
18、进一步的，所述循环热处理工序，以0.1～200℃/min的速率升温至 1200～1300℃，保温10～120min，再以0.1～200℃/min速率冷却至≤1200℃，保温10～120min。
19、进一步的，所述淬火和时效处理工序，淬火温度为 1200～1300℃；时效温度为100～500℃，时效时间为60～600min。
20、采用上述技术方案产生的有益效果在于：本专利技术在fenial系合金的基础上，重新设计了成分体系，引入了本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，其化学成分组成及质量百分含量为：Ni：30～40%，Al：5～15%，Ti：0.5～5%，Cr：0.5～5%，Mo:0.5～5%，Y:0.01～0.1%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，所述Ti、Cr、Mo、Y元素的质量百分含量总和满足关系式：
3.根据权利要求2所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，所述Ti、Cr元素的质量百分含量满足关系式：
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，其包括真空冶炼、保护气氛电渣重熔二次精炼、均质化热处理和热轧、定向退火、循环热处理、淬火和时效处理工序；
5.根据权利要求4所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，所述均质化热处理和轧制工序包括加热、轧制、冷却三个步骤；
6.根据权利要求5所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，所述两段式加热，第一段、第二段的升温速率均为10～20℃/h。
7.根据权利要求6所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，所述循环热处理工序，以10～200℃/min的速率升温至1200～1300℃，保温10～120min，再以10～200℃/min速率冷却至≤1200℃，保温10～120min。
8.根据权利要求7所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，所述淬火和时效处理工序，淬火温度为1200～1300℃；时效温度为100～500℃，时效时间为60～600min。
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【技术特征摘要】
1.一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，其化学成分组成及质量百分含量为：ni：30～40%，al：5～15%，ti：0.5～5%，cr：0.5～5%，mo:0.5～5%，y:0.01～0.1%，余量为fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，所述ti、cr、mo、y元素的质量百分含量总和满足关系式：
3.根据权利要求2所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金，其特征在于，所述ti、cr元素的质量百分含量满足关系式：
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高应变回复能力单晶铁基超弹性合金的制备方法，其特征在于，其包括真空冶炼、保护气氛电渣重熔二次精炼、均质化热处理和热轧、定向退火、循环热处理、淬火和时效处理工序；
5.根据权利要求4所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙智妍，任帅，孙彩凤，张宵璐，李睿，张彩东，张雲飞，赵英利，严文谨，吴迎飞，宋月，孙岩，嵇爽，
申请(专利权)人：河北大河材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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