一種鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料的製作方法
2023-06-01 07:23:36 1
專利名稱：一種鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鎳錳鐵鎵(Ni56Mn25FexGa19-x)形狀記憶合金材料，通過在鎳錳鎵(Ni56Mn25Ga19)形狀記憶合金中添加鐵元素可以在較大範圍內調整合金的馬氏體相變溫度，並引入γ相，增加合金塑性。
背景技術：
一般將馬氏體相變溫度高於200℃的形狀記憶合金稱為高溫形狀記憶合金，這類材料因其形狀記憶效應和較高的相變溫度在航空航天、消防、化工、核工業等領域得到了廣泛的應用。
三元NiMnGa系合金是具有較好綜合性能的高溫形狀記憶合金，其馬氏體相變溫度隨成分不同在-50℃～450℃範圍內變化，具有較好的形狀記憶性能和熱穩定性，並且成本相對低廉，但是該合金多晶材料脆性很大，難於加工變形，無法實際應用。
發明內容
本發明的目的是提出一種Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金材料，通過在三元NiMnGa系合金中添加一定量的Fe元素調節合金的馬氏體相變溫度及力學性能。
本發明是一種化學式為Ni56Mn25FexGa19-x的形狀記憶合金材料，其中X＝1～18(原子百分比)。
本發明製備鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料的方法有如下步驟步驟一稱量配比按Ni56Mn25FexGa19-x的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的錳(Mn)、純度為99.9％的鐵(Fe)和純度為99.9％的鎵(Ga)；其中X＝1～18。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；
然後在1600～2000℃下反覆熔煉原料3～5遍以使成分均勻，製成Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材；將上述錠材熔化後直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內；製成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內進行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度850～1000℃下保溫24～48小時後，水中淬火；即得到Ni56Mn25FeXGa19-X形狀記憶合金材料。
以三元NiMnGa合金為基礎，通過添加Fe元素可以在一定範圍內調節合金的馬氏體相變溫度，並引入γ相，增加合金塑性，從而製成具有較好記憶效應和力學性能的Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金。本發明這種合金的具有如下優點與目前具有最好性能的TiNiPd系高溫形狀記憶合金相比，其價格具有明顯優勢；而與不含Fe的三元NiMnGa合金相比，其塑性明顯提高。本發明Ni56Mn25FexGa19-x合金馬氏體相變溫度在201～417℃；室溫下屈服強度350～520MPa，壓縮變形率19～42％，形狀記憶效應0.8～4.5％。
圖1是Ni56Mn25Fe2Ga17合金DSC圖。
圖2是Ni56Mn25Fe2Ga17合金室溫壓縮應力應變圖。
圖3是Ni56Mn25Ga19合金DSC圖。
圖4是Ni56Mn25Ga19合金室溫壓縮應力應變圖。
圖5是Ni56Mn25Fe2Ga17合金微觀組織形貌圖。
圖6是Ni56Mn25Ga19合金微觀組織形貌圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種化學式為Ni56Mn25FexGa19-x的形狀記憶合金材料，其中X＝1～18(原子百分比)。
本發明製備一種Ni56Mn25FexGa19-x的形狀記憶合金材料的方法有如下步驟步驟一稱量配比按Ni56Mn25FexGa19-x的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的錳(Mn)、純度為99.9％的鐵(Fe)和純度為99.9％的鎵(Ga)；其中X＝1～18。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然後在1600～2000℃下反覆熔煉原料3～5遍以使成分均勻，製成Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材；將上述錠材熔化後直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內；製成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內進行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度850～1000℃下保溫24～48小時後，水中淬火；即得到Ni56Mn25FeXGa19-X形狀記憶合金材料。
採用線切割方法，在上述製得的Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長方體作為相變測試樣品，採用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測量馬氏體相變溫度；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX5 1M型光學顯微鏡進行微觀形貌觀察，並直接照相；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，採用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮應力—應變測試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫。壓縮到不同預應變後，加熱至相變溫度以上形狀回復，冷卻到室溫後測量形狀回復應變，即為形狀記憶效應。
本發明的Ni56Mn25FeXGa19-X形狀記憶合金材料與三元NiMnGa合金材料相比，馬氏體相變溫度在201～417℃範圍內任意調節，且具有比較好的塑性。
實施例1制50g Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金材料步驟一稱量配比按Ni56Mn25Fe2Ga17原子比稱取純度為99.9％的鎳27.6克、純度為99.9％的錳11.5克、純度為99.9％的鐵0.9克和純度為99.9％的鎵10.0克。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至3×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa。
然後在1800℃下反覆熔煉原料4遍以使成分均勻，製成Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金錠材；將上述錠材熔化後直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內；製成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內進行熱處理，真空度3×10-3Pa；在溫度850℃下保溫48小時後，水中淬火；即得到Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金材料。
採用線切割方法，在上述製得的Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長方體作為相變測試樣品，採用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測量馬氏體相變溫度(如圖1所示)；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX51M型光學顯微鏡進行微觀形貌觀察，並直接照相(如圖5所示)；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，採用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮應力—應變測試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫(如圖2所示)。壓縮到不同預應變後，加熱至相變溫度以上形狀回復，冷卻到室溫後測量形狀回復應變，即為形狀記憶效應。
為了驗證本發明Ni56Mn25Fe2Ga17合金材料具有較好的塑性，本發明人採用與實施例1相同的工藝條件製備出50g Ni56Mn25Ga19合金材料，其性能參數的對比見表一所示。
表一本Ni56Mn25Fe2Ga17合金與Ni56Mn25Ga19合金的各項性能參數
本發明Ni56Mn25Fe2Ga17合金材料屈服強度和塑性比Ni56Mn25Ga19合金材料有所提高。通過添加Fe元素可以在一定範圍內調節合金的馬氏體相變溫度，並引入γ相，增加合金塑性，從而製成具有較好記憶效應和力學性能的Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金。
實施例2制50g Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金材料步驟一稱量配比按Ni56Mn25Fe4Ga15原子比稱取純度為99.9％的鎳27.7克、純度為99.9％的錳11.6克、純度為99.9％的鐵1.9克和純度為99.9％的鎵8.8克。
步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然後在2000℃下反覆熔煉原料5遍以使成分均勻，製成Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金錠材；將上述錠材熔化後直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內；製成直徑為5mm的快速凝固鑄棒。
步驟三均勻化處理將上述Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內進行熱處理，真空度3×10-3Pa；在溫度1000℃下保溫36小時後，水中淬火；即得到Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金材料。
採用線切割方法，在上述製得的Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金錠材中切取尺寸為1×1×3mm3的長方體作為相變測試樣品，採用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測量馬氏體相變溫度；切取尺寸為4×4×1mm3的薄片作為微觀組織形貌觀察樣品，用OLYMPUS BX51M型光學顯微鏡進行微觀形貌觀察，並直接照相；從棒材中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，採用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮應力—應變測試，壓縮速率為0.05mm/min，溫度為室溫。壓縮到不同預應變後，加熱至相變溫度以上形狀回復，冷卻到室溫後測量形狀回復應變，即為形狀記憶效應。
表二製備不同組份合金的工藝條件及性能參數(其中棒材與錠材的均化條件相同，故省略)
注真空度單位10-3Pa，溫度單位℃，時間單位小時。
權利要求
1.一種鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特徵在於化學式為Ni56Mn25FexGa19-x，其中X＝1～18。
2.根據權利要求1所述的鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特徵在於是Ni56Mn25Fe2Ga17形狀記憶合金材料。
3.根據權利要求1所述的鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特徵在於是Ni56Mn25Fe4Ga15形狀記憶合金材料。
4.根據權利要求1所述的鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料，其特徵在於Ni56Mn25FexGa19-x合金馬氏體相變溫度在201～417℃；室溫下屈服強度350～520MPa，壓縮變形率19～42％，形狀記憶效應0.8％～4.5％。
5.根據權利要求1所述的鎳錳鐵鎵形狀記憶合金材料的製備方法，其特徵在於有如下步驟步驟一稱量配比按Ni56Mn25FexGa19-x的原子百分比用量配比稱取純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的錳(Mn)、純度為99.9％的鐵(Fe)和純度為99.9％的鎵(Ga)；其中X＝1～18；步驟二熔煉、鑄棒將上述稱取的鎳、錳、鐵、鎵原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3～5×10-3Pa，充入高純氬氣至0.7×105Pa；然後在1600～2000℃下反覆熔煉原料3～5遍以使成分均勻，製成Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材；將上述錠材熔化後直接澆注至非自耗真空電弧爐所帶的水冷銅模具內；製成直徑為5mm的快速凝固鑄棒；步驟三均勻化處理將上述Ni56Mn25FexGa19-x形狀記憶合金錠材和鑄棒放入真空熱處理爐內進行熱處理，真空度2×10-3～5×10-3Pa，在溫度850～1000℃下保溫24～48小時後，水中淬火；即得到Ni56Mn25FeXGa19-X形狀記憶合金材料。
全文摘要
本發明公開了一種化學式為Ni
文檔編號C22C1/02GK101020976SQ20071006499
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月30日 優先權日2007年3月30日
發明者李巖, 柴亮, 徐惠彬 申請人:北京航空航天大學