專利名稱：冷軋超薄疊層合金化制備CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及形狀記憶合金領域，具體涉及一種冷軋超薄疊層合金化制備CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的方法。用該方法制備的薄膜具有生產工藝簡單，成分容易控制，力學性能高的優(yōu)點。
背景技術：
CuAlNi形狀記憶合金不僅具有價格低廉，而且比CuZnAl合金具有更好的時效穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，與NiTi和CuZnAl基形狀記憶合金相比，CuNiAl合金還能在200℃的條件下使用。NiTi和CuZnAl基形狀記憶合金Ms點一般不高于100℃，因而只能在低于100℃的條件下使用。而在實際應用中的許多場合，如火災或過熱情形的預警及自動防護系統(tǒng)、衛(wèi)星發(fā)射塔、火箭發(fā)動機、電流過載保護器等裝置中都需要在150℃以上溫度使用的形狀記憶合金，特別是在核反應堆工程中，要求記憶合金熱敏驅動器的動作溫度高達600℃。所以，具有高相變點的高溫形狀記憶合金的研制和開發(fā)頗具工程應用前景。CuAlNi形狀記憶合金本該具有廣泛應用的優(yōu)勢，但由于電子化合物γ2相的析出，使得合金的延展性變差，冷加工困難。另一方面，CuAlNi基合金的晶粒粗大，再加上彈性各向異性因子達到15，容易產生應力集中，因而使用過程中容易斷裂，疲勞壽命低，這些缺點嚴重妨礙了CuAlNi基合金的工業(yè)應用。
為了提高CuAlNi合金的力學性能，人們通過加入B、Ti、V等合金元素來細化晶粒，使CuAlNi基合金的晶粒從毫米級細化到了幾十微米，顯著提高了合金的力學性能和使用壽命。通過加入Ni或Mn能抑制γ2相的析出，允許更高含量的Al，同時改善合金的加工性能。但由于CuAlNiMn合金的彈性各向異性因子高，細化后合金的冷加工仍然困難，通過冷軋的方法難以獲得薄膜。而薄膜驅動元件將是形狀記憶合金應用的一個主要領域。
這是因為形狀記憶合金的驅動受熱激勵，因此塊體形狀記憶合金的響應頻率低，僅1HZ，比壓電材料、磁致伸縮材料等其他驅動材料要低幾個數(shù)量級。為了提高形狀記憶合金的響應頻率，必須采用比表面積大，散熱能力強的薄膜。為了制備CuAlNi基合金薄膜，人們采用了快速凝固的方法。這種方法雖然能獲得厚度小于100μm的Cu-Al-Ni合金薄膜的，但薄膜受到寬度的限制，不適合工業(yè)生產。最近發(fā)展的冷軋超薄疊層合金化制備合金薄膜的方法，使得我們能采用常規(guī)的軋制設備，低成本大面積制備CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜。
冷軋超薄疊層合金化的方法采用塑性好，變形容易的純金屬或合金箔為原材料，按設計的成分配比確定箔的厚度，將金屬箔交互重疊放置，大變形冷軋后獲得超薄疊層的三明治結構，根據(jù)需要，可以將冷軋后的超薄疊層對折后再次冷軋，如此反復，最后進行擴散退火合金化，獲得成分均勻的合金薄膜。其生產工藝流程見附圖所示。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種利用常規(guī)的軋制設備，通過冷軋超薄疊層合金化的方法，低成本制備大面積CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜。
CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的組成元素含量分別滿足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量為銅。
冷軋超薄疊層合金化制備大面積CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的方法根據(jù)設計的成分，以鋁薄，銅鎳錳合金箔為原材料，交互重疊放置，大變形冷軋后獲得超薄疊層的三明治結構，根據(jù)需要，可以將冷軋后的超薄疊層對折后再次冷軋，如此反復。最后在773K～923K的溫度范圍內保溫進行擴散退火，獲得成分均勻的合金薄膜。為了使擴薄膜具有形狀記憶效應，合金化后的薄膜還需進行973K以上的固溶加淬火的β化處理。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)首次采用冷軋合金化法制備了CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜，解決了CuAlNi合金晶粒粗大、易脆斷，難以加工的問題。其制備的薄膜具有較好的形狀記憶效應和塑性，可以滿足作為驅動材料的要求。
2)能制備大面積的CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜。采用熔體快淬和濺射法只能制備小面積的薄膜，而采用冷軋超薄疊層合金化的方法，能制取寬度大于50mm、長幾米到幾十米的薄膜，適合大規(guī)模工業(yè)生產。
3)制備的CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜疲勞壽命高。采用冷軋超薄疊層合金化制備的CuAlNiMn合金薄膜晶粒細小，僅幾個μm，比目前合金的晶粒低1～2個數(shù)量級，因此具有很高的疲勞壽命。
4)所制備的薄膜具有低成本高性能的特點。由于組元具有良好的冷變形能力，因此利用現(xiàn)有的冷軋設備就可生產，不需要昂故的特殊設備，所以成本較低。具有很強的市場競爭力。


本發(fā)明冷軋超薄疊層合金化制備CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的加工路線示意圖。
具體實施例方式
實施例1根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 14.5％，Ni 5％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.178mm的Cu-5.85Ni(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以64％的變形量冷軋到1.000mm，然后再冷軋到0.060mm，將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.060mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于873K下保溫40小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到973K，保溫0.5小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為141K，在液氮溫度下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
實施例2根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 13％，Ni 4％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.200mm的Cu-4.65Ni(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以67％的變形量冷軋到1.000mm，然后再冷軋到0.080mm。將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.080mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于900K下保溫30小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到1073K，保溫0.3小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為406K，在室溫下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
實施例3根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 12％，Ni 5％，Mn 2％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.220mm的Cu-5.58Ni-2.27Mn(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以50％的變形量冷軋到1.600mm，然后再冷軋到0.100mm。將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.100mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于923K下保溫20小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到1173K，保溫0.25小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為434K，在室溫下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
實施例4根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 11.5％，Ni 5％，Mn 2％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.232mm的Cu-5.65Ni-2.26Mn(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以64％的變形量冷軋到1.200mm，然后再冷軋到0.080mm。將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.080mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于923K下保溫20小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到1223K，保溫0.2小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為496K，在室溫下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
實施例5根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 12％，Mn 2％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.220mm的Cu-2.27Mn(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以69％的變形量冷軋到1.000mm，然后再冷軋到0.060mm。將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.060mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于923K下保溫20小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到1173K，保溫0.25小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為486K，在室溫下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
實施例6根據(jù)設計的成分配方(重量百分比)Al 11.5％，Mn 3％，余量為銅。采用厚度為0.100mm的Al箔，0.232mm的Cu-3.39Mn(重量百分比)合金箔為原材料，交互重疊放置10層。首先以61％的變形量冷軋到1.200mm，然后再冷軋到0.100mm。將冷軋的薄膜對折重疊，再冷軋到0.100mm，如此反復10道次。最后將冷軋10道次的薄膜于923K下保溫20小時，進行擴散合金化。合金化后的薄膜再加熱到1223K，保溫0.2小時水淬，電阻法測定合金的Ms點為513K，在室溫下彎曲6％，加熱后形狀完全恢復。
權利要求
1.一種冷軋超薄疊層合金化制備的CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜，其特征在于組成元素含量分別滿足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn0～3％，余量為銅。
2.一種制備權利要求1所述CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的方法，是以純金屬Al箔，CuNiMn合金箔為原材料，根據(jù)設計的成分確定箔的厚度。將金屬箔交互重疊放置，大變形冷軋復合，根據(jù)需要，可以將冷軋復合的超薄疊層對折后再大變形冷軋，如此反復，獲得所需要的厚度，最后將冷軋復合的超薄疊層薄膜，在773K～923K溫度范圍進行保溫，擴散退火合金化，獲得成分均勻的合金薄膜。為了使薄膜具有形狀記憶效應，合金化后的薄膜還需進行973K以上的固溶加淬火的β化處理。
3.根據(jù)權利要求2所述的形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于組成元素含量分別滿足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量為銅。
4.根據(jù)權利要求2所述的形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于冷軋復合時變形量為50％～99％。
5.根據(jù)權利要求2所述的形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于以純金屬Al箔，CuNiMn合金箔為原材料。
6.根據(jù)權利要求2所述的形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于擴散退火的溫度為873K～923K，保溫時間為20～40小時。
7.根據(jù)權利要求2所述的形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于β化處理的溫度為973K～1123K，保溫時間為0.2～0.5小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種冷軋超薄疊層合金化制備CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的方法。采用塑性好，變形容易的Al箔、CuNiMn合金箔為原材料，根據(jù)設計的成分確定箔的厚度，將金屬箔交互重疊放置，大變形冷軋后獲得超薄疊層的三明治結構，根據(jù)需要，可以將冷軋后的超薄疊層對折后再冷軋，如此反復，最后進行擴散退火合金化，獲得成分均勻的合金薄膜。CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜的組成元素含量分別滿足(重量百分比)Al 11.5～14.5％，Ni 0～5％，Mn 0～3％，余量為銅。用該方法制備的CuAlNiMn形狀記憶合金薄膜具有成分容易控制，晶粒細小，疲勞壽命高，面積大和成本低的優(yōu)點。
文檔編號B21B1/00GK1644728SQ20051002016
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權日2005年1月13日
發(fā)明者文玉華, 李寧, 李 東, 謝文玲 申請人:四川大學