一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，該合金由鈦、鎳、銅、鈮、鋅元素構(gòu)成；按原子百分比包括如下組分：鈦原子百分比含量為45?50%、鎳的原子百分比含量為30?34%、銅的原子百分比含量為10?14%、鈮的原子百分比含量為1?8%、余量為鋅。本發(fā)明制備的薄膜合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，在進(jìn)行形變過程中，納米相在轉(zhuǎn)換時(shí)無殘留，形狀記憶回復(fù)率高、性能優(yōu)異。
【專利說明】
一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及形狀記憶合金材料領(lǐng)域，具體涉及一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金及其制 備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 形狀記憶合金因其具有較高的可恢復(fù)性形變，已在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。中 國發(fā)明專利CN102864339A提出了一種彈性合金材料，所述合金材料的各組成按原子百分含 量為鎳45-55at%，鐵0-10at%，鈦 10-15at%，鈷 10-15at%，15-20at%。本技術(shù)方案的合金 材料不僅具有窄滯后超彈性能又能夠保持形狀記憶效應(yīng)的合金材料。其制備方法包括以下 步驟：1 )、選取純度彡99.9%的鎳，純度彡99.99 %鈷，純度彡99.9 %的鐵，純度彡99.9 %的 鈦，純度多99.99%的鎵;將上述材料按照原子百分含量配料，然后放入熔煉爐中并抽真空 至2.OX l(T4Pa，再充入氬氣，反復(fù)熔煉后用模具冷卻吸鑄得到合金毛坯;2)、將1)中得到的 合金毛坯密封，抽真空至5.OX KT5Pa,在1000°C下保溫72小時(shí)，然后冷卻至室溫得到超彈性 合金材料。
[0003] 中國發(fā)明專利CN102851548A提出了一種超彈性合金，其所述合金材料的各組成按 原子百分含量為鎳45-55&丨％，鐵0-1(^丨％，鈦25-353丨％，鈷10-153丨％。2.權(quán)利要求1所述 超彈性合金，其所述合金材料的各組成按原子百分含量為鎳50at%，鐵5at%，鈦35at%，鈷 10at% 〇
[0004] 中國發(fā)明專利CN101876016A提出了一種稀土鎳錳鈷鎵基高溫形狀記憶合金，提供 一種具有高馬氏體相變溫度、較好塑性和形狀記憶性能的稀土鎳錳鈷鎵基高溫形狀記憶合 金及其制備方法?；瘜W(xué)式為(Ni53Mn22Co6Gal9)100-xAx，其中六=〇7、￥、6(14的原子百分比 為0~1。將鎳、錳、鈷、鎵和稀土原料放入爐內(nèi)，抽真空，充入氬氣，熔煉，得稀土鎳錳鈷鎵基 高溫形狀記憶合金錠材;將稀土鎳錳鈷鎵基高溫形狀記憶合金錠材熱處理，隨爐冷卻;將經(jīng) 過熱處理的稀土鎳錳鈷鎵基高溫形狀記憶合金錠材熱乳成片狀合金材料;將得到的片狀合 金材料切成試樣，熱處理后，冰水淬火，即得到稀土鎳錳鈷鎵基高溫形狀記憶合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了提高形狀記憶合金的循環(huán)壽命，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提 供了一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0006] 本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供了一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備方 法。
[0007] 本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供了一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金的應(yīng)用。
[0008] 常規(guī)的合金材料變形幾千次就會(huì)斷裂，而本發(fā)明采用磁控濺射的方法，制備含有 獨(dú)特成分與顯微結(jié)構(gòu)的合金薄膜材料，能夠?qū)⒃摵辖鸬难h(huán)次數(shù)提高到幾千萬次以上。該 合金薄膜的厚度為2-50微米，其顯微結(jié)構(gòu)中包含Ti 2Cu與Ti2Ni相，它們?yōu)榧{米晶，尺寸小于 500納米。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，該 合金由鈦、鎳、銅、銀、鋅元素構(gòu)成。
[0010]作為優(yōu)選，按原子百分比包括如下組分:鈦原子百分比含量為45-50%、鎳的原子百 分比含量為30-34%、銅的原子百分比含量為10-14%、銀的原子百分比含量為1-8%、余量為 鋅。
[0011]作為優(yōu)選，上述高性能鈦鎳系形狀記憶合金的厚度為2-50微米。
[0012]作為優(yōu)選，上述高性能鈦鎳系形狀記憶合金的顯微結(jié)構(gòu)中包含Ti2Cu與Ti2Ni相。 [0013]作為優(yōu)選，上述高性能鈦鎳系形狀記憶合金中的Ti2Cu與Ti2Ni相的尺寸小于500納 米。
[0014]上述的高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備方法，包括以下步驟： 1) 按照上述的合金材料制備靶材； 2) 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至10- 3Pa，調(diào)整工作電壓為500V，派射占空比60-70%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為 2-50微米得到薄膜狀的形狀記憶合金； 3) 對(duì)步驟2)得到的薄膜狀的形狀記憶合金進(jìn)行退火熱處理得到高性能鈦鎳系形狀記 憶合金。
[0015] 作為優(yōu)選，上述退火熱處理溫度為650-720攝氏度。
[0016] 上述的高性能鈦鎳系形狀記憶合金在工業(yè)控制、醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用。
[0017]有益效果:本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用本發(fā)明的方法可以制備一種高性能鈦鎳系 形狀記憶合金，循環(huán)次數(shù)高達(dá)幾千萬次以上，遠(yuǎn)高于當(dāng)前合金的幾千次。這是因?yàn)槟壳按蠖?數(shù)形狀記憶合金在兩種晶格狀態(tài)下轉(zhuǎn)變時(shí)，兩相之間的轉(zhuǎn)換不完全，在金屬高溫相（奧氏 體）中會(huì)出現(xiàn)越來越多的低溫相(馬氏體)晶體結(jié)構(gòu)，幾千次就會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終會(huì)導(dǎo)致合金 斷裂。在本發(fā)明中，會(huì)形成的納米相Ti2Cu相與Ti2Ni相，其尺寸在500納米以下。當(dāng)Ti2Cu相在 B2與B19兩種結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換時(shí)，它們之間的轉(zhuǎn)換是完全的，不存在殘留，因此能夠大大提尚循 環(huán)壽命。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的舉例說明。
[0019] 實(shí)施例1:高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備 1、 按照鈦:鎳:銅:鈮:鋅的原子比為50:34:14: : 1:1的比例制備靶材； 2、 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至I (T3Pa，調(diào)整工作電壓為500V，濺射占空比60%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為12 微米； 3、 對(duì)以上合金進(jìn)行退火熱處理，溫度為650攝氏度得到高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0020] 對(duì)高性能鈦鎳系形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行2千萬次測(cè)試后，仍未 斷裂。
[0021] 該合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，其尺寸80~200納米。
[0022] 實(shí)施例2:高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備 1. 按照鈦:鎳:銅:鈮:鋅的原子比為48:30:10:8:4比例制備靶材； 2. 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至HT3Pa,調(diào)整工作電壓為500V，濺射占空比60%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為32 微米； 3. 對(duì)以上合金進(jìn)行退火熱處理，溫度為680攝氏度得到高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0023]對(duì)高性能鈦鎳系形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行2千萬次測(cè)試后，仍未 斷裂。
[0024] 該合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，其尺寸100~250納米。
[0025] 實(shí)施例3:高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備 1. 按照鈦:鎳:銅:銀:鋅的原子比為45:32:13:6:4的的比例制備靶材； 2. 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至HT3Pa,調(diào)整工作電壓為500V，濺射占空比70%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為47 微米； 3. 對(duì)以上合金進(jìn)行退火熱處理，溫度為720攝氏度得到高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0026] 對(duì)高性能鈦鎳系形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行2千萬次測(cè)試后，仍未 斷裂。
[0027] 該合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，其尺寸80~160納米。
[0028] 實(shí)施例4高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備 1. 按照鈦:鎳:銅:鈮:鋅的原子比為46:31:12:8:3的比例制備靶材； 2. 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至KT3Pa,調(diào)整工作電壓為500V，濺射占空比65%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為2微 米； 3. 對(duì)以上合金進(jìn)行退火熱處理，溫度為685攝氏度得到高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0029] 對(duì)高性能鈦鎳系形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行2千萬次測(cè)試后，仍未 斷裂。
[0030] 該合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，其尺寸150~300納米。
[0031 ]實(shí)施例5高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備 1. 按照鈦:鎳:銅:鈮:鋅的原子比為47:33:11:5:4的比例制備靶材； 2. 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至KT3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至HT3Pa,調(diào)整工作電壓為500V，濺射占空比67%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為50 微米； 3. 對(duì)以上合金進(jìn)行退火熱處理，溫度為690攝氏度得到高性能鈦鎳系形狀記憶合金。
[0032]對(duì)高性能鈦鎳系形狀記憶合金進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行2千萬次測(cè)試后，仍未 斷裂。
[0033] 該合金內(nèi)包含納米Ti2Cu與Ti2Ni相，其尺寸50~200納米。
[0034] 對(duì)比例1 實(shí)驗(yàn)例： 1 ·按照lat%錳、0 · 4at%釹、5 lat%鈦、44at%鎳、3 · 6at%鐵的比例配置原料； 2.將原料混合均勻，放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空到5*10-4Pa，充入高純氬氣，然 后恪煉5次； 3. 在真空熱處理爐中進(jìn)行熱處理:在500度進(jìn)行時(shí)效2小時(shí)，然后在450度時(shí)效5小時(shí)； 4. 冷卻，由此得到形狀記憶合金。
[0035]檢測(cè)結(jié)果:進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，樣品進(jìn)行8636次測(cè)試斷裂。
[0036]本發(fā)明實(shí)施例1~5制備得到的含鈮形狀記憶合金合金和對(duì)比例1的普通合金進(jìn)行 1000次形變后的記憶回復(fù)率：
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，其特征在于，該合金由鈦、鎳、銅、銀、鋅元素構(gòu)成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，其特征在于，按原子百分比 包括如下組分:鈦原子百分比含量為45-50%、鎳的原子百分比含量為30-34%、銅的原子百分 比含量為1〇 _14%、銀的原子百分比含量為1_8%、余量為鋅。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，其特征在于，所述的高性能 鈦鎳系形狀記憶合金的厚度為2-50微米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，其特征在于，所述的高性能 鈦鎳系形狀記憶合金的顯微結(jié)構(gòu)中包含Ti2Cu與Ti 2Ni相。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高性能鈦鎳系形狀記憶合金，其特征在于，所述的高性能 鈦鎳系形狀記憶合金中的Ti2Cu與Ti 2Ni相的尺寸小于500納米。6. 權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備方法，其特征在于，包 括以下步驟： 1) 按照上述的合金材料制備靶材； 2) 采用磁控濺射制備薄膜狀的形狀記憶合金，抽真空至l(T3Pa以上，充入氬氣，然后再 抽真空至10- 3Pa，調(diào)整工作電壓為500V，派射占空比60-70%，開始進(jìn)行濺射沉積，控制厚度為 2-50微米得到薄膜狀的形狀記憶合金； 3) 對(duì)步驟2)得到的薄膜狀的形狀記憶合金進(jìn)行退火熱處理得到高性能鈦鎳系形狀記 憶合金。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高性能鈦鎳系形狀記憶合金的制備方法，其特征在于，所述退 火熱處理溫度為650-720攝氏度。8. 權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的高性能鈦鎳系形狀記憶合金在工業(yè)控制、醫(yī)療器械等方 面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C22C30/06GK106086586SQ201610536412
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】蘇州市皎朝納米科技有限公司