專利名稱：提高Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的組合加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用等通道轉(zhuǎn)角擠壓和后續(xù)熱處理改善Cu-Al系形狀記憶合金的組織結(jié)構(gòu)以提高其記憶穩(wěn)定性的組合加工方法，屬于形狀記憶合金加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
盡管Cu-Al系形狀記憶合金具有較好的形狀記憶效應(yīng)和較高的阻尼性能，但其鑄態(tài)合金晶粒粗大，力學(xué)性能不佳而不易加工，記憶穩(wěn)定性尤待提高。目前，晶粒細(xì)化是公認(rèn)的改善金屬材料綜合使用性能的有效方法，從Cu-Al系形狀記憶合金的組織細(xì)化和加工工藝入手，有望改善其微觀組織結(jié)構(gòu)，從而提高其記憶穩(wěn)定性和熱機(jī)械性能。
銅基形狀記憶合金的晶粒細(xì)化方法包括合金化法、快速凝固法和粉末冶金法等。 加入適量的B、V、Ti、&等元素對銅材進(jìn)行合金化，可生成第二相以阻礙鑄態(tài)銅基體晶粒長大或阻止其晶界移動(dòng)，但這些元素優(yōu)先在晶界處富集，使固溶處理時(shí)晶粒長大趨勢增加。在惰性氣氛下，將熔融態(tài)的銅液直接噴射到高熱導(dǎo)率材料制成的高速旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)油獗砻妫垡涸诤艽蟮倪^冷度下形核率顯著增大，可使銅合金的晶粒細(xì)化1 一 2個(gè)數(shù)量級，但它降低了銅合金的有序度，在時(shí)效過程中相變溫度不穩(wěn)定，尺寸和形狀上也存在局限性。將高純度的金屬單質(zhì)制成微細(xì)粉末，按比例混合均勻，在高溫高壓下進(jìn)行燒結(jié)，可得到良好的抗循環(huán)衰減性和延展性，但其工藝參數(shù)難以控制?？梢姡鲜龇椒m可在不同程度上解決銅合金的晶粒粗大問題，卻依然存在各種不足。
等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)是20世紀(jì)80年代由俄羅斯科學(xué)家kgal教授和他的同事們在研究金屬純剪切變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其最初的目的是在不改變金屬材料初始形狀和截面尺寸的情況下產(chǎn)生劇烈的塑性變形，從而使材料的重復(fù)變形成為可能。90年代后，ECAP逐漸發(fā)展為一種制備塊狀、致密、超細(xì)晶塊體金屬材料的有效方法。它是利用試驗(yàn)材料在兩個(gè)等徑通道的相交區(qū)域發(fā)生的近似理想的剪切變形以及在加工過程中存在的加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶等來控制材料微觀組織，從而達(dá)到細(xì)化晶粒和提高材料使用性能的目的。利用ECAP工藝制備的超細(xì)晶塊體金屬材料可表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和理化特性，如Z. Horita在ΙΧΙΟ—Vs 33/s各種應(yīng)變速率下研究了 Al-Mglc合金的延伸率，在 3. 3X10_7s的應(yīng)變速率下，其延伸率可達(dá)2280%。
由于等通道轉(zhuǎn)角擠壓法具有誘人的發(fā)展前景，國內(nèi)外越來越多的研究機(jī)構(gòu)已涉入該研究領(lǐng)域，如美國德克薩斯A & M大學(xué)、俄羅斯UFA航空學(xué)院、南加利福尼亞大學(xué)、美國 Almos國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、日本大阪府立大學(xué)和日本九州大學(xué)等；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、河海大學(xué)、南京理工大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)等。目前，研究者已經(jīng)采用ECAP 法對Al和Al合金、Mg和Mg合金、Cu合金、Ni、Ti和Ti合金及低碳鋼等進(jìn)行了不同路徑、 不同擠壓道次的加工，各種合金的晶粒均得到顯著細(xì)化，其強(qiáng)度、疲勞性能或超塑性均得到了不同程度的改善。ECAP加工的超細(xì)晶塊體金屬材料也已經(jīng)開始投入實(shí)際應(yīng)用，如俄羅斯科學(xué)家制備了超細(xì)晶1420鋁合金，經(jīng)高應(yīng)變速率超塑性成型后加工成內(nèi)燃機(jī)上的活塞； ECAP加工的大尺寸AA6061合金也已被用來制備鍛造工業(yè)用零件。近年來，已有研究者將該工藝應(yīng)用于Ni-Ti和!^e-Mn-Si等形狀記憶合金的組織細(xì)化和微觀結(jié)構(gòu)改善，取得了較好的效果；而有關(guān)ECAP加工對Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的影響研究卻未見報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝操作與設(shè)備要求簡單的Cu-Al系形狀記憶合金組合加工方法，藉此在不改變試件形狀和尺寸的情況下提高合金的記憶穩(wěn)定性，同時(shí)保持其良好的熱機(jī)械性能，提高其成材率。鑒于等通道轉(zhuǎn)角擠壓加工技術(shù)在改善金屬材料綜合性能方面的廣闊實(shí)用前景，我們圍繞Cu-Al系形狀記憶合金的等通道轉(zhuǎn)角擠壓和后續(xù)熱處理組合加工工藝進(jìn)行了細(xì)致的研究工作，旨在改善該系列形狀記憶合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，在提高其綜合力學(xué)性能的同時(shí)提高其記憶穩(wěn)定性，促進(jìn)其規(guī)?；瘧?yīng)用。本專利申請涉及了一種具有實(shí)用價(jià)值的提高Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的組合加工方法。
本發(fā)明的特征在于將連續(xù)ECAP熱擠壓和后續(xù)熱處理組合工藝應(yīng)用于脆性較大的、含llwt. %鋁的粗晶鑄態(tài)Cu-Al系形狀記憶合金，通過組織細(xì)化實(shí)現(xiàn)其記憶穩(wěn)定性的提高。具體技術(shù)方案如下一種提高Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的組合加工方法，其特征在于加工步驟如下第一步等通道轉(zhuǎn)角擠壓加工，將含llwt. %鋁的粗晶鑄態(tài)Cu-Al系合金塊材切割成柱狀試件，試件經(jīng)常規(guī)預(yù)處理后與模具表面都均勻涂覆固體潤滑劑，然后將試件置入模具中隨爐加熱至500°C保溫后進(jìn)行多道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形，相鄰道次之間試樣旋轉(zhuǎn)180° 以提高擠壓組織均勻性，直至獲得平均粒徑< 1 μ m的超細(xì)晶組織；第二步后續(xù)熱處理，將第一步所得柱狀試件加熱至600°C保溫并油淬至室溫，獲得亞微米晶熱彈性馬氏體組織，最終制備出記憶穩(wěn)定性優(yōu)良的Cu-Al系形狀記憶合金塊材。
等通道轉(zhuǎn)角擠壓加工。首先根據(jù)Cu-Al系二元合金相圖確定擠壓溫度為500°C， 若溫度過高，Cu-Al合金容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶達(dá)不到細(xì)化晶粒的目的，同時(shí)模具容易軟化變形；若溫度過低，則合金塑性差，試塊易開裂或整體破碎，無法進(jìn)行連續(xù)多道次的ECAP加工。連續(xù)ECAP加工前，先根據(jù)模具尺寸要求將晶粒粗大的(通常平均粒徑為數(shù)百微米)、 含llwt. %鋁的鑄態(tài)Cu-Al系合金塊材切割成柱狀試件，試件按常規(guī)預(yù)處理工藝(如機(jī)械磨光、除油、除銹、清洗等)以獲得清潔表面，然后將試件和模具表面均勻涂覆固體潤滑劑 (如二氧化鉬、石墨等)以免ECAP時(shí)發(fā)生粘?，F(xiàn)象；然后將試件置入模具中預(yù)熱至500°C并進(jìn)行保溫，再施加壓力進(jìn)行連續(xù)多道次ECAP加工，相鄰擠壓道次之間試樣旋轉(zhuǎn)180° (即傳統(tǒng)的C路徑)以提高擠壓組織均勻性，最終使Cu-Al系合金的室溫組織中晶粒顯著細(xì)化并獲得超細(xì)晶組織(平均粒徑< 1 μ m)。盡管ECAP加工后Cu-Al系合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，但其室溫組織中的熱彈性馬氏體消失從而喪失形狀記憶效應(yīng)。
后續(xù)淬火熱處理，將第一步所得柱狀試件加熱至600°C保溫并油淬至室溫以恢復(fù)熱彈性馬氏體。由于Cu-Al系合金在不同冷卻介質(zhì)中淬火所得到的室溫馬氏體組織形態(tài)基本相似，故推薦采用油為冷卻介質(zhì)以減少淬火裂紋的產(chǎn)生。ECAP態(tài)的Cu-Al系合金經(jīng)600°C 淬火處理后，可重新獲得亞微米晶熱彈性馬氏體組織(晶粒尺寸約幾十微米)，使之恢復(fù)形狀記憶效應(yīng)且記憶穩(wěn)定性明顯提高，淬火后的合金由于晶粒較細(xì)仍能保持良好的熱機(jī)械性能，因此可最終制備出記憶穩(wěn)定性優(yōu)良的Cu-Al系形狀記憶合金塊材。
與其他晶粒細(xì)化方法相比，本發(fā)明提供的加工方法具有以下優(yōu)勢將ECAP工藝和熱處理工藝相結(jié)合，可在不改變試件形狀和尺寸的情況下細(xì)化Cu-Al系形狀記憶合金的晶粒和第二相分布形態(tài)，改善鑄態(tài)合金的成分偏析，從而提高該系列合金的記憶穩(wěn)定性，并解決其室溫力學(xué)性能較差的問題，提高其成材率。其工藝操作與設(shè)備要求簡單，可用于細(xì)晶高記憶穩(wěn)定性Cu-Al系形狀記憶合金塊材的制備與加工，工業(yè)應(yīng)用前景良好。


圖1 鑄態(tài)Cu-Ilwt. %A1合金的室溫金相組織圖2 Cu-llwt. %A1合金經(jīng)500°C 8道次ECAP加工后的室溫金相組織圖3 Cu-llwt. %A1合金經(jīng)組合加工(500°C 8道次ECAP +600°C保溫后熱淬)的室溫金相組織具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明。本發(fā)明所述的ECAP熱擠壓和后續(xù)熱處理組合加工以提高Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的方法不只局限于該具體實(shí)例。
所有試驗(yàn)用Cu-Al系形狀記憶合金試件在組合加工前均需根據(jù)ECAP模具的尺寸進(jìn)行切割，并按常規(guī)預(yù)處理工藝處理以獲得清潔、干燥的表面。根據(jù)試件表面實(shí)際狀況，預(yù)處理工藝可選擇以下步驟的不同組合，即機(jī)械磨光、除油、除銹、清洗，最后涂敷固體潤滑劑(如涂敷石墨、二氧化鉬)以免ECAP時(shí)發(fā)生粘?，F(xiàn)象。
實(shí)施例1 采用線切割將鑄態(tài)Cu-llwt. %A1形狀記憶合金加工成IOmmX IOmmX40mm的柱狀試件，其室溫組織中馬氏體晶粒粗大(平均直徑為227μπι)，且晶粒尺寸分散(介于 10(Γ300μπι之間)，馬氏體晶界上分布著少量粗大的々1014相及雜質(zhì)(見圖1)。將切割后的試件進(jìn)行表面預(yù)處理，然后置入模具中預(yù)熱至500°C保溫30min，再施加壓力進(jìn)行連續(xù)8道次ECAP擠壓，相鄰擠壓道次之間試樣旋轉(zhuǎn)180° (即傳統(tǒng)的C路徑)以提高擠壓組織均勻性，加工后合金組織顯著細(xì)化(平均粒徑1 μ m)，此時(shí)熱彈性馬氏體消失(見圖2)。將ECAP 后試件放入退火爐加熱至600°C保溫30min，然后取出油淬至室溫，其顯微組織(見圖3)恢復(fù)為18R熱彈性馬氏體，盡管晶粒尺寸有所增大(約42 μ m)但明顯低于原始鑄態(tài)合金，其晶粒尺寸分布均勻，晶界得到凈化。Cu-llwt. %A1合金組合加工后的抗拉強(qiáng)度比鑄態(tài)合金提高了 53% ；該合金經(jīng)10次熱循環(huán)試驗(yàn)后形狀回復(fù)率達(dá)到穩(wěn)定值，其值高達(dá)50%，而鑄態(tài)合金回復(fù)率僅為33%，即該合金經(jīng)組合加工后的形狀記憶穩(wěn)定性提高了 51%。
實(shí)施例2:采用線切割將鑄態(tài)Cu-llwt. %A1形狀記憶合金加工成IOmmX IOmmX40mm的柱狀試件，其室溫組織中馬氏體晶粒粗大(平均直徑為221 μ m)，且晶粒尺寸分散(介于 10(Γ300μπι之間)，馬氏體晶界上分布著少量粗大的々1014相及雜質(zhì)(見圖1)。將切割后的試件進(jìn)行表面預(yù)處理，然后置入模具中預(yù)熱至500°C保溫30min，再施加壓力進(jìn)行連續(xù)8道次ECAP擠壓，相鄰擠壓道次之間試樣旋轉(zhuǎn)180° (即傳統(tǒng)的C路徑)以提高擠壓組織均勻性，加工后合金組織顯著細(xì)化(平均粒徑1 μ m)，此時(shí)熱彈性馬氏體消失。將ECAP后試件放入退火爐加熱至600°C保溫70min，然后取出油淬至室溫，其顯微組織恢復(fù)為18R熱彈性馬氏體，平均晶粒尺寸為50 μ m。Cu-Ilwt. %A1合金組合加工后的抗拉強(qiáng)度比鑄態(tài)合金提高了 50% ；該合金經(jīng)10次熱循環(huán)試驗(yàn)后的形狀回復(fù)率仍達(dá)到49%，而鑄態(tài)合金回復(fù)率僅為31%，即該合金經(jīng)組合加工后的形狀記憶穩(wěn)定性提高了 58%。
權(quán)利要求
1. 一種提高Cu-Al系形狀記憶合金記憶穩(wěn)定性的組合加工方法，其特征在于加工步驟如下第一步等通道轉(zhuǎn)角擠壓加工，將含llwt. %鋁的粗晶鑄態(tài)Cu-Al系合金塊材切割成柱狀試件，試件經(jīng)常規(guī)預(yù)處理后與模具表面都均勻涂覆固體潤滑劑，然后將試件置入模具中隨爐加熱至500°C保溫后進(jìn)行多道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形，相鄰道次之間試樣旋轉(zhuǎn)180° 以提高擠壓組織均勻性，直至獲得平均粒徑< 1 μ m的超細(xì)晶組織；第二步后續(xù)熱處理，將第一步所得柱狀試件加熱至60(TC保溫并油淬至室溫，獲得亞微米晶熱彈性馬氏體組織，最終制備出記憶穩(wěn)定性優(yōu)良的Cu-Al系形狀記憶合金塊材。
全文摘要
一種改善Cu-Al系形狀記憶合金的組織結(jié)構(gòu)以提高其記憶穩(wěn)定性的組合加工方法。第一步，等通道轉(zhuǎn)角擠壓將含11wt.%鋁的粗晶鑄態(tài)Cu-Al合金塊材切割成柱狀試件，試件經(jīng)常規(guī)預(yù)處理后與模具表面都均勻涂覆固體潤滑劑，然后將試件置入模具中隨爐加熱至500℃保溫后進(jìn)行多道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形，直至獲得平均粒徑≤1μm的超細(xì)晶組織；第二步后續(xù)熱處理將第一步所得的柱狀試件加熱至600℃保溫后油淬至室溫，獲得亞微米晶熱彈性馬氏體組織，最終制備出記憶穩(wěn)定性優(yōu)良的Cu-Al系形狀記憶合金塊材。本發(fā)明可在不改變Cu-Al系合金試件形狀和尺寸的情況下提高其記憶穩(wěn)定性。其工藝操作與設(shè)備要求簡單，成材率高，可用于高記憶穩(wěn)定性Cu-Al系合金塊材的制備與加工，工業(yè)應(yīng)用前景良好。
文檔編號C22F1/08GK102534447SQ20121001697
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者劉冠國, 宋丹, 張萍, 江靜華, 馬愛斌 申請人:常州市河?？萍佳芯吭河邢薰? 河海大學(xué)