專利名稱：處理鎳－鈦形狀記憶合金的方法
相關(guān)申請的交叉-參考文獻(xiàn)。
沒有有關(guān)在聯(lián)邦范圍內(nèi)提出的研究或開發(fā)。
沒有順序表的參考。
沒有發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明的各種實施方案通常涉及處理鎳-鈦合金的方法。更具體地說，本發(fā)明的一些實施方案涉及熱處理鎳-鈦合金以可預(yù)測地調(diào)節(jié)合金的奧氏體相變溫度和/或相變溫度范圍。
相關(guān)技術(shù)的說明已知等原子或接近等原子的鎳-鈦合金具有“形狀記憶”和“超彈性”兩種性能。更準(zhǔn)確地說，已知這些合金，通常稱為“Nitinol”合金，在冷卻至低于合金的馬氏體起始(或“Ms”)溫度時經(jīng)歷從原始相(通常稱作奧氏體相)到至少一種馬氏體相的馬氏體相變。這種相變在冷卻至合金馬氏體最終(或“Mf”)溫度時完成。此外，當(dāng)材料被加熱至其奧氏體最終(或“Af”)溫度以上時相變是可逆的。這種可逆的馬氏體相變導(dǎo)致合金的形狀記憶性能。例如，呈奧氏體相時鎳-鈦合金形成第一形狀(即，在高于合金的奧氏體最終溫度，或Af)，隨后冷卻至低于Mf而形成第二形狀。只要材料保持低于合金的As(即，在開始的相變?yōu)閵W氏體的溫度或奧氏體的起始溫度)，合金將保留第二形狀。然而，當(dāng)把合金加熱至高于Af的溫度時，合金將返回到第一形狀。
奧氏體和馬氏體相之間的相變也能導(dǎo)致鎳-鈦合金的“超彈性”性能。當(dāng)使鎳-鈦合金在高于Ms的溫度下發(fā)生應(yīng)變時，則該合金能經(jīng)受從奧氏體相到馬氏體相的應(yīng)變感生相變。結(jié)合馬氏體相通過雙間界的移動而能變形的這種相變不產(chǎn)生位錯，使鎳-鈦合金通過彈性變形而不是塑性(即，持久)變形而吸收大量的應(yīng)變能量。當(dāng)應(yīng)變被除去時，合金能幾乎全部返回到其未發(fā)生應(yīng)變的條件。
鎳-鈦合金，和其它形狀記憶合金的獨特性能的工業(yè)用途的能力，在很大的程度上取決于這些相變發(fā)生的溫度，即，合金的As和Af，Ms和Mf，以及這些相變發(fā)生時的溫度范圍。然而，在二元鎳-鈦合金體系中，已經(jīng)觀察到了合金的相變溫度很大程度上取決于組成。也就是說，例如，已觀察到合金的組成變化1原子％時，鎳-鈦合金的Ms溫度則變化大于100K。見K..Otsuka和T.Kakeshia，“Science and Technology of Shape-Memory AlloyNewDevelopments”MRS Bulletin，2002年，2月，第91-100頁。
此外，正如所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解的，為獲得可預(yù)測的相變溫度所必須的鎳-鈦合金的嚴(yán)格組成控制，是很難實現(xiàn)的。例如，為了在典型的鎳-鈦工藝過程中獲得所要求的相變溫度，在熔煉鎳-鈦錠或坯料后，必須測量錠的相變溫度。假若相變溫度不是所要求的相變溫度，則錠的組成必須通過再熔融和合金化加以調(diào)整。此外，假若錠呈成份偏析，例如在固化過程中可能出現(xiàn)的，則必須測量多個穿過錠區(qū)域的相變溫度，并且在各區(qū)的相變溫度必須加以調(diào)整。這種方法必須重復(fù)直到獲得所要求的相變溫度。正如所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的，通過控制組成來控制相變溫度的這種方法，既費時又花錢。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“相變溫度(多個)”通常意指如上討論的任何相變溫度；而術(shù)語“奧氏體相變溫度(多個)”意指合金的奧氏體起始(As)或奧氏體最終(Af)溫度中的至少一種，除非另有指示。
通常使用加熱法提高或降低鎳-鈦合金的相變溫度的方法是已知技術(shù)。例如，F(xiàn)lomenblit等人的U.S專利號5,882,444，公開了一種雙-向形狀記憶合金的記憶處理，其包括將鎳-鈦合金制成可呈現(xiàn)奧氏體相的形狀，然后通過在450℃～550℃下加熱0.5～2.0小時使合金多邊化，在600℃～800℃下固溶處理合金2～50分鐘，最后于約350℃～500℃下老化約0～2.5小時。按照Flomenblit等人，在這種處理后，合金應(yīng)具有在10℃與60℃之間變化的Af和在1℃與5℃之間變化的相變溫度范圍(即，Af-As)。之后，合金的Af是通過在約350℃～500℃的溫度下老化合金而得到提高。另一方法，也可以于約510℃～800℃的溫度下固溶處理合金以降低合金的Af。見Flomenblit等人專利說明書第3欄，47～53行。
Pelton等人的U.S專利5,843,244公開了一種處理一種由鎳-鈦合金制成的部件以降低合金Af的方法，它通過將部件暴露于高于其暴露以形狀-固定合金的溫度并低于合金的固溶線(solvus)溫度，持續(xù)時間不超過10分鐘，以降低合金的Af。
但是，仍然具有對可預(yù)測控制鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍以獲得所要求的奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍的有效方法的需求。此外，這也仍然保持對可預(yù)測控制具有變化鎳含量的鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度和奧氏體相變溫度范圍方法的需求。
發(fā)明的簡述本發(fā)明的一些實施方案提供處理鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度的方法。例如，一種處理包含大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度的非限制性方法，該法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度，和熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)合金在TiNi相的固溶體中的鎳含量，致使在熱處理鎳-鈦合金的過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，其中穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等。
處理鎳-鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度的另一種非限制性方法，包括選擇含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金，選擇所要求的奧氏體相變溫度，以及熱處理所選擇的鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)在合金TiNi相的固溶體中的鎳量，致使在熱處理所選擇的鎳-鈦合金的過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等，其中所選擇的鎳-鈦合金包含足以在熱處理所選擇的鎳-鈦合金過程中達(dá)到固體溶解度極限的的鎳量。
還有另外一種處理兩種或多種具有大于50到55原子％鎳間的變化組成的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度的非限制性方法，該法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度，并使鎳-鈦合金經(jīng)受類似的熱處理以便在熱處理后，鎳-鈦合金具有穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度基本上等于所要求的奧氏體相變溫度。
處理含有大于50到55原子％鎳間變化組成區(qū)域的鎳-鈦合金以使各區(qū)域具有所要求的奧氏體相變溫度的另一種非限制性方法，該法包括熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金各區(qū)域內(nèi)的在合金TiNi相的固溶體中的鎳量，其中在熱處理鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域具有基本上等于所要求的奧氏體相變溫度的穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
本發(fā)明的實施方案還提供處理鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的方法。例如，處理含有大于50到55原子％鎳間的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的一種非限制性方法，該法包括在500℃與800℃之間變化的溫度的爐內(nèi)對鎳-鈦合金等溫老化至少2小時，其中老化后鎳-鈦合金具有不大于15℃的奧氏體相變溫度。
處理包含大于50到55原子％鎳間的變化組成的區(qū)域的鎳-鈦合金致使各區(qū)具有所要求的奧氏體相變溫度的另一種非限制性方法，該法包括等溫老化鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金各區(qū)域內(nèi)在合金的TiNi相的固溶體中的鎳量，其中等溫老化鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域具有不大于15℃的奧氏體相變溫度。
還有另一種處理含有大于50到55原子％鎳間的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的非限制性方法，該法包括在第一老化溫度下的爐內(nèi)等溫老化鎳-鈦合金以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，并在不同于第一老化溫度的第二老化溫度下等溫老化鎳-鈦合金，其中在第二老化溫度下老化后，鎳-鈦合金具有基本上等于所要求的相變溫度范圍的奧氏體相變溫度范圍。
附圖(多個)的簡略說明當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，本發(fā)明的各種實施方案將變得更易理解，其中

圖1是對兩種不同的鎳-鈦合金在675℃下的奧氏體相變溫度對老化時間的示意曲線圖。
圖2是對兩種不同的鎳-鈦合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度對老化溫度的示意曲線圖。
圖3是對兩種不同的鎳-鈦合金在566℃下的奧氏體相變溫度對老化時間的示意曲線圖。
圖4是鎳-鈦合金在650℃下老化2小時后的示差掃描量熱計(“DSC”)的圖示曲線。
圖5是鎳-鈦合金在650℃下老化24小時后的DSC圖示曲線。
圖6是鎳-鈦合金在650℃下老化216小時后的DSC圖示曲線。
發(fā)明的詳述如前述，通常，大多數(shù)鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度是通過調(diào)節(jié)合金的組成而進(jìn)行調(diào)節(jié)的。然而，由于鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度對較少的組成變化是敏感的，所以嘗試通過組成控制奧氏體相變溫度，證明這是費時和花錢多的。此外，當(dāng)大多數(shù)的合金呈組成偏析時，例如，在固化過程中出現(xiàn)，調(diào)節(jié)合金的奧氏體相變溫度需要許多的組成調(diào)節(jié)。相反，按照本發(fā)明的各種實施方案處理鎳-鈦合金的方法，在提供可預(yù)測控制鎳-鈦合金奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍以獲得所要求的奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍的有效方法中是有利的，它無須組成的調(diào)節(jié)。此外，按照本發(fā)明各種實施方案的方法，在提供可預(yù)測控制具有可變鎳含量的鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍的有效方法中是有利的，例如，當(dāng)大多數(shù)的合金呈組分偏析或在不同合金同時處理時。按照本發(fā)明的一些實施方案處理鎳-鈦合金方法的其它優(yōu)點包括提高合金的抗拉強度和硬度。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的是，鎳-鈦合金的As和Af通?？梢酝ㄟ^將鎳-鈦合金暴露于提高的溫度下持續(xù)較短的時間加以調(diào)節(jié)。例如，假若把合金暴露于足夠引起富鎳沉淀形成的溫度下，合金的相變溫度一般會提高。相反，假若把合金暴露于足以引起富鎳沉淀溶解的溫度下，(即，鎳進(jìn)入TiNi相的固溶體)，則合金的相變溫度一般會下降。
但是，本發(fā)明人觀察到在熱處理過程中奧氏體相變溫度的升高或下降的程度取決于若干因素，其包括，但不限于合金的起始As和Af、合金的總組成以及暴露的時間和溫度。例如，參照圖1，該圖顯示兩種鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度(As和Af)對在675℃下老化時間的曲線，一種含有55原子％的鎳的合金(用實心圓和方塊表示)，而另一種含52原子％的鎳(由空心圓和方框表示)。如從圖1的曲線所見，當(dāng)這些合金老化2小時，則兩種合金的As和Af隨著老化時間的增長顯著地變化。然而，在老化約24小時后，兩種合金的As(圖1由方塊表示)和Af(圖1由圓表示)隨著老化時間的增加變化相對是小的。例如，老化216小時后，奧氏體相變溫度從老化24小時后的所觀察的奧氏體相變溫度，僅有輕微波動。換句話說，似乎這些合金在675℃下老化約24小時后，可以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度(As和Af)。當(dāng)用于本發(fā)明時，術(shù)語“穩(wěn)定的奧氏體相變溫度”意指在同樣條件下熱處理鎳-鈦合金再另外8小時，則在熱處理后所獲得的鎳-鈦合金奧氏體起始(As)或奧氏體最終(Af)溫度中的至少一種偏離不大于10℃。
例如，盡管在此沒有限制，但在675℃下老化55原子％鎳合金(“55at.％Ni”)24小時后，鎳-鈦合金具有約-12℃的As，而52原子％Ni合金(“52at.％Ni”)具有約-18℃的As。在675℃下老化55at.％Ni合金24小時后，鎳-鈦合金具有約-9℃的Af，而52原子％鎳合金具有約-14℃的Af。當(dāng)這些合金在675℃下老化216小時時，各合金的As或Af中沒有一個偏離老化24小時后所觀察的合金As或Af10℃以上。在這種特殊的非限制性實施例中，各合金在675℃下老化216小時后的As和Af偏離在675℃下老化24小時后觀察到的合金As和Af小于約5℃。
正如下面詳細(xì)討論的，盡管不打算受任何特定的理論束縛，但本發(fā)明人認(rèn)為合金老化2小時后的As和Af的變化性，很大程度上歸因于這些合金在較短的熱處理過程中不能達(dá)到組成平衡或接近平衡的條件。因此，如從圖1的曲線圖所見，盡管非平衡的熱處理可以用于一般提高(或降低)合金的奧氏體相變溫度，但為了獲得所要求的奧氏體相變溫度，在進(jìn)行可預(yù)測調(diào)節(jié)合金的奧氏體相變溫度中不是特別有效。
再次參照圖1，可以看出當(dāng)合金老化不足約24小時時，合金的奧氏體相變溫度依賴于組成。例如，在675℃下老化2小時后，55at.％Ni合金的As高于52at.％Ni合金As約27℃；而55at.％Ni合金的Af高于52at.％Ni合金Af約30℃。即使在675℃下老化6小時后，55at.％Ni合金的As也高于52at.％Ni合金As約19℃；而55at.％Ni合金的Af高于52at.％Ni合金Af約21℃。但是，在675℃下老化約24小時后，55at.％Ni合金和52at.％Ni合金的As間的差距急劇地下降，兩種合金的Af之間的差距也如此。盡管在此沒有限制，但在675℃下老化24小時后的這種特殊的實施例中，兩種合金的奧氏體起始溫度之間的差距僅為約6℃，而兩種合金的奧氏體最終溫度之間的差距約5℃。
這樣，似乎在675℃下老化這兩種合金24小時后所獲得的奧氏體相變溫度不受合金總組成的制約。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“不受總組成的制約”意指鎳-鈦合金在熱處理后的奧氏體起始(As)或奧氏體最終(Af)溫度中至少一種不超出類似處理并具有足夠的鎳以在熱處理過程中達(dá)到固體溶解度極限的任何其它鎳-鈦合金的10℃，如下文詳細(xì)討論的。
因此，從圖1中的曲線可見，盡管可以使用較短時間的熱處理以在鎳-鈦合金奧氏體相變溫度中產(chǎn)生一般移動(即，奧氏體相變溫度的一般升高或降低)，但為了獲得不受合金總組成制約的所要求的奧氏體相變溫度，在進(jìn)行可預(yù)測調(diào)節(jié)鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度中其不是特別有效。
如上所述，本發(fā)明人認(rèn)為與較短時間熱處理有關(guān)的變化性很大程度上是歸因于熱處理過程中合金內(nèi)所達(dá)到的非平衡條件。然而，本發(fā)明人已觀察到可預(yù)測的和穩(wěn)定的相變溫度，特別是奧氏體相變溫度，可以通過熱處理鎳-鈦合金以在合金內(nèi)達(dá)到組分平衡或接近平衡的條件來獲得。更具體地，本發(fā)明人已觀察到，能對鎳-鈦合金進(jìn)行熱處理以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，該溫度是熱處理材料的溫度的特征，只要鎳-鈦合金在熱處理溫度下具有足以達(dá)到在TiNi相中的鎳的固體溶解度極限的鎳量(下面討論的)。盡管無意受任特殊理論的束縛或限制本發(fā)明，但本發(fā)明人認(rèn)為在指定溫度下熱處理鎳-鈦合金后所觀察到的穩(wěn)定奧氏體相變溫度是在熱處理溫度下在TiNi相的固溶體中鎳的平衡量或近平衡量的特征。
盡管在此沒有限制，但所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會了解到，在二元鎳-鈦合金中，能在TiNi相以穩(wěn)定固溶體存在的最大量鎳是隨溫度而變化。換句話說，TiNi相中鎳的固體溶解度極限隨溫度而變。當(dāng)用于本發(fā)明時，術(shù)語“固體溶解度極限”意指在指定的溫度下保持在TiNi相中鎳的最大量。換句話說，固體溶解度極限是鎳在指定溫度下在TiNi相的固溶體中存在的平衡量。例如，盡管在此沒有限制，但所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的是，通常，在TiNi相中鎳的固體溶解度極限是由Ti-Ni平衡相圖中分離TiNi和TiNi+TiNi3相區(qū)的固溶度曲線給出的。見ASM Materials EngineeringDictionary，J.R.Davis編，ASM international，1992年，第432頁，此文獻(xiàn)作為參考文獻(xiàn)專門引入。一種Ti-Ni相圖的非限制性實例示于K.Otsuka和T.Kakeshia中的第96頁中。然而，確定TiNi相中鎳的固體溶解度極限的其它方法對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員也會理解的是，假若在指定溫度下TiNi相中的鎳量超過TiNi相中鎳的固體溶解度極限(即，TiNi相的鎳過飽和)時，鎳傾向于從溶液中沉淀出來以形成一種或多種富鎳沉淀，由此減輕過飽和現(xiàn)象。但是，由于TiNi體系中的擴散速度慢，所以過飽和現(xiàn)象不能瞬時減輕。代之可以采用要達(dá)到的合金中平衡條件的實際時間量。相反地，假若TiNi相中鎳量小于指定溫度下的固體溶解度極限，則鎳擴散進(jìn)入TiNi相直到獲得固體溶解度極限。再有，可以采用欲在合金中要達(dá)到的平衡條件的實際時間量。
此外，如鎳從TiNi相中沉淀出來形成富鎳沉淀時，由于遍布合金存在分布的鎳-沉淀，所以提高了合金的硬度和極限抗拉強度。這種強度的提高通常被稱作“時效硬化”或“沉淀硬化”。見ASM Materials Engineering Dictionary，第339頁。
如前所述，鎳-鈦合金的相變溫度強烈地受合金組成的影響。特別是，已觀察到鎳-鈦合金的TiNi相中的固溶體中的鎳量強烈地受合金的相變溫度的影響。例如，已觀察到鎳-鈦合金的Ms一般隨著合金TiNi相的固溶體中鎳量的升高而下降；因此鎳-鈦合金的Ms一般隨著合金TiNi相的固溶體中鎳量的降低而升高。見R.J.Wasilewski等人，“Homogenity Range and the MartensiticTransformation in TiNi”Matallurgical Transactions，第2卷，1971年，1月，第229～238頁。
然而，盡管無意受任何特定理論的束縛，但本發(fā)明人認(rèn)為當(dāng)在指定的溫度下鎳以平衡或接近平衡量存在于鎳鈦合金的TiNi相的固溶體中時，不管合金的總組成合金具有指定溫度特征的穩(wěn)定奧氏體相變溫度。換句話說，只要有足夠的鎳存在于鎳-鈦合金中以在指定的熱處理溫度下達(dá)到合金的TiNi相中鎳的固體溶解度極限，則所有的鎳-鈦合金在特定的熱處理溫度下熱處理合金后都應(yīng)當(dāng)具有基本上相同的奧氏體相變溫度，以在該熱處理溫度下使鎳在合金的TiNi相的固溶體中達(dá)到平衡或接近平衡量。由此，熱處理鎳-鈦合金后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度是在特定熱處理溫度下在合金的TiNi相的固溶體中的鎳平衡量或近平衡量的特征。
因此，盡管在此沒有限制，但當(dāng)在鎳-鈦合金的TiNi相的固溶體中鎳量達(dá)到在指定溫度下的平衡量(即，固體溶解度極限)時，則合金較低的奧氏體相變溫度隨著在該溫度下另外熱處理而波動。換句話說，可以觀察到穩(wěn)定的奧氏體相變溫度是合金內(nèi)組分平衡或接近平衡條件的特征。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員還會理解的是，在熱處理后，假若合金過慢地冷卻至室溫，則熱處理過程中所獲得的平衡或接近平衡的條件就會喪失。因此，通常理想的是冷卻熱處理后的鎳-鈦合金要足夠的快以保持熱處理時所獲得的平衡或近平衡的條件。例如，熱處理合金后，合金可空氣冷卻、液體驟冷，或空氣驟冷。
現(xiàn)參照圖2，該圖顯示兩種含變量鎳的鎳-鈦合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度對老化溫度的曲線。為了獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，使兩種鎳-鈦合金在指定溫度下等溫老化約24小時。如上所述，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度是熱處理溫度下在合金的TiNi相的固溶體中的鎳平衡或接近平衡量的特征。
此外，從圖2的曲線可見，有可能通過選擇具有與所要求的奧氏體相變溫度基本相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度的熱處理溫度，而熱處理鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度，然后在該溫度下熱處理鎳-鈦合金以獲得穩(wěn)定奧氏體相變溫度。由于在指定的熱處理溫度的穩(wěn)定奧氏體相變溫度易于測定(例如通過等溫老化研究)，所以有可能借助于熱處理鎳-鈦合金以使合金內(nèi)達(dá)到組分平衡或近平衡的條件來可預(yù)測地調(diào)節(jié)鎳-鈦合金的As和Af。另外，只要合金的鎳含量是足以在所選擇的熱處理溫度下達(dá)到固體溶解度極限，則所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度將不受合金總組成的制約。當(dāng)有關(guān)相變溫度用于本發(fā)明中時，術(shù)語“基本上相等”意指相變溫度彼此不超出10℃或以下。此外，盡管沒有必要，但彼此基本相等的相變溫度也能彼此相等。
現(xiàn)對本發(fā)明的各種非限制性實施方案予以說明。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解到，本發(fā)明某些實施方案的方法可與各種鎳-鈦合金體系，以及其它具有對少量組成變化敏感性能的合金體系結(jié)合而進(jìn)行利用；然而，為清楚起見，參照二元鎳-鈦合金體系闡述本發(fā)明的各個方面。盡管在此沒有限制，但認(rèn)為本發(fā)明一些實施方案的方法，在處理含鎳和鈦與至少一種其它的合金元素的二元、三元、四元合金體系中是有用的。例如，認(rèn)為三元鎳-鈦合金體系在本發(fā)明的各種實施方案中包括，但不限于鎳-鈦-鉿；鎳-鈦-銅；和鎳-鈦-鐵合金體系中都是有用的。
在本發(fā)明的一種非限制性實施方案中，熱處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度。更具體地說，按照本發(fā)明的實施方案，該方法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度，并熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)在合金的TiNi相的固溶體中的鎳含量，致使在熱處理過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，它基本上等于所要求的奧氏體相變溫度。此外，如上所述，只要鎳-鈦合金中存在的鎳量足以在熱處理溫度下達(dá)到固體溶解度極限，則所獲得的奧氏體相變溫度不受合金總組成的制約。另外，盡管沒有必要，但按該非限制性實施方案，所要求的奧氏體相變溫度在約-100℃與約100℃之間變化。
盡管在此無意進(jìn)行限制，但認(rèn)為對在含有50原子％或以下鎳的鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度時的熱處理的效果太小，以致工業(yè)上無用；而認(rèn)為含有大于55原子％鎳的鎳-鈦合金對工業(yè)處理太脆。但是，所述技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可能考慮到，含有大于55原子％鎳的鎳-鈦合金的某些應(yīng)用是理想的。在這種情況下，可使含有大于55原子％鎳的合金與本發(fā)明的各種實施方案結(jié)合利用。理論上，含有高達(dá)約75原子％鎳的合金(即，在TiNi+TiNi3相區(qū)內(nèi))能按本發(fā)明的各種實施方案處理；然而，熱處理如此高的鎳合金所需要的時間，以及這些高鎳合金的脆性，對于大多數(shù)工業(yè)用途來說是不合適的。
提供本發(fā)明所要求的奧氏體相變溫度的處理鎳-鈦合金方法的另一非限制性實施方案包括，選擇含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金，選擇所要求的奧氏體相變溫度，并熱處理所選擇的鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)在合金的TiNi相的固溶體中的鎳量，致使在熱處理過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，該穩(wěn)定的奧氏體相變溫度基本上與所要求的奧氏體相變溫度相等。按照這種非限制性實施方案，所選擇的鎳-鈦合金包含足以在熱處理過程中獲得固體溶解度極限的鎳。此外，按照這種非限制性實施方案，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度不受合金總組成的制約。另外，盡管沒有必要，但按照這種非限制性實施方案所要求的奧氏體相變溫度可在約-100℃與約100℃之間變化。
在本發(fā)明的另一非限制性實施方案中，處理具有可變組成和包含大于50到55原子％鎳的兩種或更多種鎳-鈦合金，以使合金具有所要求的奧氏體相變溫度。按照該非限制性實施方案，該方法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度，和使鎳-鈦合金經(jīng)受類似的熱處理，以致使熱處理后，鎳-鈦合金具有穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，該溫度基本上與所要求的奧氏體相變溫度相等。如前所述，只要鎳-鈦合金具有足夠的鎳以在熱處理過程中達(dá)到固體溶解度極限，合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度將不受合金總組成的制約。此外，盡管沒有必要，但按照這種非限制性實施方案，可使所要求的奧氏體相變溫度在約-100℃與約100℃之間變化。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“類似的熱處理”意指鎳-鈦合金既可一起處理，也可單獨處理，但是要使用相同的或類似的處理參數(shù)。
如前所述，在鎳-鈦合金固化過程中，合金在組成上偏析。通常，這種組成上偏析可以導(dǎo)致整個合金不同的相變溫度。這通常這需要對整個的合金進(jìn)行各個組分的調(diào)節(jié)，以獲得均勻的奧氏體相變溫度。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，這需要對合金進(jìn)行復(fù)雜的組成調(diào)節(jié)。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過按照本發(fā)明的各種實施方案熱處理組成上偏析的鎳-鈦合金，能使整個的合金獲得均勻的奧氏體相變溫度，而無須如此復(fù)雜的組成調(diào)節(jié)。
因此，本發(fā)明的一些實施方案提供處理包括從大于50到55原子％鎳的可變組成區(qū)域的鎳-鈦合金以致使各區(qū)域均具有所要求相變溫度的方法。更具體地說，所述方法包括熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金的各區(qū)域內(nèi)的TiNi相的固溶體中的鎳含量，致使熱處理鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域都具有穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，該溫度基本上與所要求的奧氏體相變溫度相同。
如前所述，鎳從TiNi相的固溶體中沉淀以形成富鎳沉淀它能通過沉淀硬化提高鎳-鈦合金的強度。因此，在本發(fā)明的一些實施方案中，其中富鎳沉淀在熱處理過程中形成，熱處理過的鎳-鈦合金，與熱處理前的合金相比，更為有利的是其具有提高的抗拉強度和/或提高的硬度。
現(xiàn)在討論按照本發(fā)明前述的非限制性實施方案的熱處理鎳-鈦合金的合適的、非限制性的方法。按照本發(fā)明的各種實施方案熱處理鎳-鈦合金的方法包括，但不限于此，等溫老化處理、分段或分級老化處理和可控的冷卻處理。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“等溫老化”意指使合金在恒定爐溫的爐中持續(xù)一段時間。然而，所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，由于設(shè)備的限制，在等溫老化處理中能出現(xiàn)爐溫的微小波動。
例如，在本發(fā)明的一些實施方案中，熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金。如前所述，熱處理鎳-鈦合金的溫度取決于所要求的奧氏體相變溫度。由此，例如，在本發(fā)明的一些非限制性實施方案中，其中熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金，等溫老化溫度在500℃與800℃之間變化。
盡管本發(fā)明沒有限制，但認(rèn)為按照本發(fā)明的各種實施方案可以利用在低于約500℃溫度下的等溫老化，但在低于約500℃的老化溫度下要獲得平衡或接近平衡的條件所需的時間，通常對許多工業(yè)應(yīng)用來說是太長。另外，按照本發(fā)明的各種實施方案可以利用在約800℃以上溫度下進(jìn)行等溫老化；然而，在高于約800℃的溫度下老化的富鎳合金對用于許多工業(yè)用途傾向于太脆。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的熟練技術(shù)人員可認(rèn)識到，對于老化溫度低于約500℃或高于約800℃的用途是有用的。因此，本發(fā)明的實施方案試圖在低于約500℃或高于約800℃的溫度下熱處理鎳-鈦合金。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，為獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度所必需的等溫老化處理持續(xù)時間，將部分依賴于合金的構(gòu)型(或橫截面積)(即，棒、線材、板坯等)、老化溫度以及總的鎳含量而變化。例如，盡管本發(fā)明沒有限制，但按照本發(fā)明的實施方案，在熱處理超細(xì)的鎳-鈦合金線材(即，直徑低于約0.03英寸的線材)或鎳-鈦箔時，可以使用至少2小時的等溫老化時間。在等溫老化具有較大橫截面積的合金時，老化時間大于2小時，并且可以至少是24小時或更多。同樣地，假若熱處理橫切面積較小的合金時，等溫老化時間可以低于2小時。
此外，與熱處理溫度下和/或較低熱處理溫度下的固體溶解度極限相比較，在鎳-鈦合金的總組成是非常富鎳時，用于獲得所要求的奧氏體相變溫度時，獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度所需要的時間長于一些工業(yè)用途所需要的時間。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)為在非常富鎳的合金中和/或在低的熱處理溫度下要獲得穩(wěn)定奧氏體相變溫度所需要的時間，可以通過使用下述的分段熱處理而進(jìn)行減少。
更具體地說，按照本發(fā)明的一些實施方案，熱處理鎳-鈦合金以獲得基本上與所要求的奧氏體相變溫度相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度，包括在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金，隨后在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，其中第一老化溫度高于第二老化溫度。按照該實施方案，需要選擇第二老化溫度，以致如上詳述能獲得所要求的奧氏體相變溫度。也就是說，在第二老化溫度下老化后，合金將具有與所要求的相變溫度基本相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度，以及在第二老化溫度下具有合金內(nèi)組成平衡或接近平衡條件的特征。
盡管不打算受任何特殊理論的束縛，選擇高于合金的第二老化溫度，但低于溶線溫度的第一老化溫度，以提高合金內(nèi)鎳的起始擴散速度。之后，所要求的奧氏體相變溫度可以通過在具有基本上與所要求的相變溫度相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度的第二老化溫度下老化鎳-鈦合金而獲得。盡管沒有必要，但在第二老化溫度下老化后，鎳-鈦合金在TiNi相的固溶體中能具有平衡量的鎳。
現(xiàn)參照圖3，該圖顯示使用兩段老化法老化兩種鎳-鈦合金的奧氏體相變溫度對老化時間的曲線。盡管曲線上沒有指示，但在566℃下老化前，兩種合金在675℃下老化24小時以提高合金中鎳的起始擴散速度。之后，如圖3曲線所示，兩種合金在566℃下老化。從圖3的曲線可見，約72小時后，可以獲得穩(wěn)定的As和Af溫度，它們同樣與合金的總組成無關(guān)。相反，合金已在一段老化法(即，只在566℃下)中等溫老化，由于在該溫度下鎳的擴散較低且鎳含量較高，為獲得穩(wěn)定的相變溫度需要超過72小時的老化時間。
在按照本發(fā)明一些實施方案的兩段老化法的一種非限制性實施例中，鎳-鈦合金先在600℃與800℃之間范圍內(nèi)的第一老化溫度下等溫老化，隨后在500℃與600℃之間范圍內(nèi)的較低第二老化溫度下老化。另外，盡管沒有必要，但鎳-鈦合金能在第一老化溫度下老化至少2小時，而在第二老化溫度下老化至少2小時。如前所述，按照該實施方案，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度可以在第二老化溫度下的老化過程中獲得。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員還理解的是，當(dāng)鎳-鈦合金的過量鎳含量減少時，富鎳沉淀的成核作用的驅(qū)動力也減少。另外，假若為了獲得所要求的奧氏體相變溫度時，合金在接近合金溶線溫度下進(jìn)行熱處理，用于富鎳沉淀成核和成核速度的驅(qū)動力在熱處理過程中將相當(dāng)慢。因此，獲得與所要求的奧氏體相變溫度基本相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度所必須的時間，長于某些工業(yè)用途所需要的時間。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過使用兩段熱處理，可以減少獲得穩(wěn)定奧氏體相變溫度所必需的時間。更具體地說，按照本發(fā)明的一些實施方案，用于獲得基本上與所要求的奧氏體相變溫度相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度的熱處理鎳-鈦合金包括，在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金，隨后于第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，其中第一老化溫度低于第二老化溫度。
盡管不打算受任何特定理論的束縛，但所述技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，用于由過飽和TiNi相的富鎳沉淀均勻成核作用的驅(qū)動力，可以通過將合金的溫度降至低于合金的溶線溫度而得到提高，即過冷低于合金溶線溫度。這樣，通過使用低于獲得所要求的相變溫度所必須的老化溫度的第一老化溫度，能提高富鎳沉淀成核作用的速度。然而，一旦在第一老化溫度下產(chǎn)生核，當(dāng)老化溫度提高時，通過鎳的擴散則更快地出現(xiàn)沉淀的生長。因此，鎳-鈦合金在第一老化溫度下老化后，鎳-鈦合金再在高于第一老化溫度的第二老化溫度下老化。更具體地說，需選擇第二老化溫度以致在第二老化溫度下的老化過程中所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等。
通過使用低于第二老化溫度的第一老化溫度的兩段老化法，已觀察到可以降低獲得基本上與所要求的奧氏體相變溫度相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度所需要的總老化時間。在一個按本發(fā)明這種實施方案的兩段老化法的特定非限制性實施例中，鎳-鈦合金在500℃與600℃之間范圍內(nèi)的第一老化溫度下等溫老化，隨后在600℃與800℃之間范圍內(nèi)的第二老化溫度下老化。此外，盡管沒有必要，但使鎳-鈦合金在第一老化溫度下老化至少2小時而在第二老化溫度下老化至少2小時。如前所述，按照該實施方案，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度在第二老化溫度下的老化過程中獲得。
現(xiàn)在將討論處理鎳-鈦合金以獲得所要求的相變溫度范圍的方法。如前所述，形狀記憶合金的利用取決于合金的相變溫度，以及相變溫度的范圍。當(dāng)用于本發(fā)明時，術(shù)語“相變溫度范圍”意指在指定合金的指定相變的起始和最終溫度間的差別(即，Af-As或Ms-Mf)。當(dāng)用于本發(fā)明中時，術(shù)語“奧氏體相變溫度范圍”意指在指定合金的As和Af溫度間的差別(即，Af-As)。此外，當(dāng)有關(guān)相變溫度范圍用于本發(fā)明時，術(shù)語“基本上相等”意指相變溫度范圍彼此不超出10℃或以下。由此，盡管沒有必要，但彼此基本相等的相變溫度范圍可以彼此相等。
盡管在此沒有限制，但在某些應(yīng)用中，要求狹窄的奧氏體相變溫度范圍。通常狹窄的奧氏體相變溫度范圍是在利用鎳-鈦合金的超彈性能的應(yīng)用場合下是需要的，例如，但不限于，天線和眼鏡框。而在其它應(yīng)用中，希望寬的奧氏體相變溫度范圍。通常寬的奧氏體相變溫度范圍是在不同溫度下要求不同程度的相變的應(yīng)用場合下所要求的，例如，但不限于，溫度傳動裝置。
再次參照圖1，從該圖的曲線可見，當(dāng)老化時間增加時，55at.％Ni合金和52at.％Ni合金的奧氏體相變溫度范圍下降。例如，在675℃下老化52at.％Ni合金2小時后，合金具有約18℃的奧氏體相變溫度范圍，而在老化6小時后，奧氏體相變溫度范圍約11℃。然而，在675℃下老化24小時后，52at.％Ni合金具有低于約5℃的奧氏體相變溫度范圍。此外，當(dāng)老化時間提高超過24小時時，這種奧氏體相變溫度范圍明顯地不變化。同樣地，在675℃下老化55at.％Ni合金2小時后，合金具有約21℃的奧氏體相變溫度范圍，而老化6小時后，奧氏體相變溫度范圍約13℃。然而，在675℃下老化24小時后，52at.％Ni合金具有低于約5℃的奧氏體相變溫度。此外，當(dāng)老化時間提高超過24小時時，該奧氏體相變溫度范圍明顯地不變化。
現(xiàn)參照圖4～6，所述附圖顯示含有55原子％鎳的鎳-鈦合金所獲得的三種差示掃描量熱器(“DSC”)的曲線示圖。圖4中的DSC曲線是在650℃下等溫老化2小時的55原子％鎳的合金而獲得的。圖5中的DSC曲線是在650℃下等溫老化24小時的55原子％鎳合金后獲得的，而圖6中的DSC曲線是在650℃下等溫老化216小時后的55原子％鎳合金獲得的。
參照圖4，上面的峰，通常用40表示，代表在冷卻合金時出現(xiàn)馬氏體相變的溫度范圍。例如，通常如圖4所示，合金的馬氏體相變在Ms溫度下開始，(通常以42表示)，而在Mf溫度下完成，(通常以44表示)。下面的峰，通常以45表示，代表加熱合金時出現(xiàn)奧氏體相變的溫度范圍。例如，如圖4所示，合金的奧氏體相變在As溫度下開始，(通常以47表示)，而在Af溫度下完成，(通常以49表示)。
正如從圖4～6中的DSC曲線所見，馬氏體和奧氏體兩者的相變溫度范圍隨著在650℃下老化時間的增加而變窄。因此，例如，上面峰50(在圖5中)比上面峰40(在圖4中)更陡并更窄；上面峰60(在圖6中)比上面峰40和上面峰50更陡并更窄。同樣地，下面峰55(在圖5中)比下面峰45(在圖4中)更陡并更窄；下面峰65(在圖6中)比下面峰45和下面峰55更陡并更窄。
如上所述，與奧氏體相變溫度一起，在一些應(yīng)用中要求控制奧氏體相變溫度到狹窄間隔內(nèi)。因此，本發(fā)明的某些實施方案提供處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的方法。更具體地說，這些方法包括在500℃與800℃間的溫度范圍內(nèi)的爐內(nèi)等溫老化鎳-鈦合金至少2小時，其中等溫老化后，鎳-鈦合金具有不大于15℃的奧氏體相變溫度范圍。盡管沒有必要，但按照該非限制性實施方案，老化時間，其中取決于所要求的奧氏體溫度范圍可以是至少3小時，至少6小時，至少可以24小時。此外，按照該非限制性實施方案，等溫老化后所獲得的奧氏體相變溫度范圍，取決于等溫老化的條件可以不大于10℃，并且可以不大于6℃。
此外，如前所述，鎳-鈦合金在固化過程中可在組成上偏析。因此，本發(fā)明的各種實施方案也企圖處理包含大于50到55原子％鎳的變化組成的區(qū)域的鎳-鈦合金的方法，致使各區(qū)具有所要求的奧氏體相變溫度范圍。按照這些實施方案，所述方法包括等溫老化鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金的各區(qū)域內(nèi)的TiNi相的固溶體中的鎳含量，其中在等溫老化鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域均具有不大于15℃的奧氏體相變溫度。盡管沒有必要，但按照該非限制性實施方案，老化時間取決于奧氏體相變溫度是至少2小時，至少3小時，至少6小時，尤其是，可以至少是24小時。此外，按照該非限制性實施方案，等溫老化后所獲得的奧氏體相變溫度范圍取決于等溫老化的條件可以不大于10℃，不大于6℃。
同樣如上所述，除奧氏體相變溫度外，在某些用途中要求控制奧氏體相變溫度范圍到寬范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的某些實施方案提供處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度和所要求的相變溫度范圍的方法。更具體地，該方法包括在第一老化溫度下的爐內(nèi)老化鎳-鈦合金以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，隨后在低于第一老化溫度的第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，其中在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金具有基本上與所要求的奧氏體相變溫度范圍相等的奧氏體相變溫度范圍。此外，按照該非限制性實施方案，在第二老化溫度下老化時所獲得的相變溫度范圍大于在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金時所獲得的奧氏體相變溫度。
在本發(fā)明的另一非限制性實施方案中，處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以獲得所要求的相變溫度范圍的方法，包括在第一老化溫度下的爐內(nèi)老化鎳-鈦合金以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，隨后在高于第一老化溫度的第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，其中在第二老化溫度下老化后，鎳-鈦合金具有基本上與所要求的奧氏體相變溫度范圍相等的奧氏體相變溫度范圍。此外，按照該非限制性實施方案，在第二老化溫度下老化時所獲得的相變溫度范圍大于在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金時所獲得的奧氏體相變溫度。
本發(fā)明的各種實施方案將通過下面、非限制性實施例加以說明。
實施例實施例1兩種鎳-鈦合金，一種含有約52原子％的鎳，而另一種含有約55原子％的鎳，按下制備。稱量各合金所必需的合金化添加物的純鎳和鈦，并轉(zhuǎn)移至真空電弧再熔爐。然后熔化合金并隨后澆鑄成矩形扁坯。澆鑄后，對各鎳-鈦合金進(jìn)行熱加工以精制為細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。在任何老化處理前試圖進(jìn)行測量合金的奧氏體相變溫度(As和Af)。然而，由于合金呈組成上偏析，所以無法測量奧氏體相變溫度。之后，使各合金的樣品在示于表1中的時間和溫度在爐內(nèi)進(jìn)行等溫老化。
在各老化時間范圍后，使用彎曲自由回復(fù)試驗(bend free recovery test)測量各合金的奧氏體相變溫度，如下進(jìn)行。開始將待檢驗的扁平樣品通過于液氮中浸漬樣品而冷卻至約-196℃的溫度(即，低于合金的Ms)。之后，用芯棒使樣品變形成為倒的“U”型，再浸入液氮中冷卻。按照下列方程式選擇芯棒的直徑Dm＝T/ε-T式中Dm是芯棒的直徑，T是樣品的厚度，ε是所要求的％應(yīng)變，這里，為3％。之后，將具有倒“U”型的樣品在線性可變差示變壓器(“LVDT”)探針下直接放入甲醇和液氮的浴中，其溫度低于合金擬似As的約10℃。使用加熱板加熱盛有樣品和LVDT探針的浴。當(dāng)樣品在浴中加熱時，一旦樣品的溫度達(dá)到合金的As溫度，它開始轉(zhuǎn)回到它的起始形狀(即，扁平)。在合金的Af溫度下完成轉(zhuǎn)化到開始的扁平形狀。當(dāng)樣品受熱時使用LVDT探針收集相應(yīng)于有關(guān)樣品位移的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)存儲于計算機中。然后畫出位移對溫度的曲線并基于曲線拐點的近似值測量As和Af溫度。特別是，相當(dāng)于曲線圖三個區(qū)的三種線性回歸-配合線(regression-fit lines)的交點，即，位移對溫度的曲線具有較小斜度時的低溫和高溫區(qū)，和曲線具有較大斜度時的中間區(qū)，以用于樣品的近似As和Af溫度。
表1

如從表1所見，通過任何一種合金老化24小時可以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度(As和Af)，(即，在675℃下老化24小時后在同樣條件下再熱處理鎳-鈦合金8小時，各種合金的As和Af偏離不大于10℃)。此外，于675℃下老化24小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度同樣不受鎳-鈦合金總組成的制約。也就是說，在675℃下熱處理合金24小時后，55at.％Ni合金的As在52at.％Ni合金的As的10℃內(nèi)；而在675℃下熱處理合金24小時后，55at.％Ni合金的Af不超出52at.％Ni合金的Af的10℃。相信在675℃下老化72小時后所觀察到的As和Af的下降是沒有代表性的，并且可歸因于老化過程中爐溫的波動。
比較起來，盡管好象在675℃下老化合金6小時后，52at.％Ni合金的As和Af和55at.％Ni合金的As是穩(wěn)定的，但是奧氏體相變溫度受總組成的制約。此外，在675℃下老化2小時后，兩種合金的奧氏體相變溫度既不穩(wěn)定，也受總組成的制約。
兩種合金的穩(wěn)定的奧氏體相變溫度(As和Af兩者)還可通過650℃下老化合金24小時獲得，(即，在650℃下老化約24小時后再在同樣條件下熱處理鎳-鈦合金8小時，各合金的As和Af偏離不大于10℃)。此外，在650℃下老化24小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度同樣與鎳-鈦合金的總組成無關(guān)。也就是說，在650℃下熱處理合金24小時后55at.％Ni合金的As不超出52at.％Ni合金As的10℃；而在650℃下熱處理合金24小時后55at.％Ni合金的Af不超出52at.％Ni合金Af的10℃。
比較起來，盡管在650℃下老化合金約6小時后52at.％Ni合金的Af和55at.％Ni合金的As和Af好象是穩(wěn)定的，但奧氏體起始溫度與總組成有關(guān)。此外，在650℃下老化約2小時后，僅55at.％Ni合金的Af似乎是穩(wěn)定的，但是合金的As或Af都不受合金的總組成的制約。
盡管在此沒有限制，但是認(rèn)為55at.％Ni合金在老化前在TiNi相的固溶體中的鎳的起始量對比52at.％Ni合金更接近于在650℃下TiNi相的鎳的固體溶解度極限。因此，為獲得55at.％Ni合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度所必須的650℃下的老化時間低于52at.％Ni合金的相應(yīng)時間。然而，如表1所示，既穩(wěn)定又與總組成無關(guān)的奧氏體相變溫度可通過在650℃下老化合金24小時而獲得。由此，同樣的熱處理可以用于兩種合金而不考慮合金的起始條件。
此外，如表1所示，在675℃下老化鎳-鈦合金24小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度(As和Af)，低于650℃下老化鎳-鈦合金24小時后所獲得的穩(wěn)定相變溫度。盡管無意受任何特定理論的束縛，但如前所述，認(rèn)為這歸因于TiNi相中的鎳在675℃下和650℃下的固體溶解度極限不同。換句話說，在675℃下鎳在TiNi相的固溶體中具有平衡量的鎳-鈦合金的特征性奧氏體相變溫度，低于650℃下鎳在TiNi相的固溶體中的具有平衡量的鎳-鈦合金的特征性奧氏體相變溫度。
因此，如表1所示，兩種合金的奧氏體相變溫度范圍通常傾向于隨著指定老化溫度下的老化時間的增加而變窄。
實施例2按上面實施例1制備的兩種合金的另外樣品，使用下列兩段老化工藝進(jìn)行老化。所述合金先在約675℃的第一老化溫度下老化24小時，隨后在如下面表2所示第二老化溫度下老化。在各老化時間間隔后，使用上述實施例1所說明的彎曲自由回復(fù)試驗測定各合金的奧氏體相變溫度。
表2

從表2可見，通過在600℃的第二老化溫度下老化任何一種合金24小時，可以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度(As和Af兩者)，(即，在600℃下老化24小時后在相同的條件下熱處理鎳-鈦合金另外8小時，各合金的As和Af偏離不大于10℃)。此外，在600℃的第二老化溫度下老化24小時后所獲得的穩(wěn)定的奧氏體相變溫度同樣不受鎳-鈦合金總組成的制約。也就是說，在600℃的第二老化溫度下熱處理合金24小時后，55at.％Ni合金的As不超出52at.％Ni合金As的10℃；在600℃的第二老化溫度下熱處理合金24小時后，55at.％Ni合金的Af不超出52at.％Ni合金Af的10℃；比較起來，盡管在600℃的第二老化溫度下老化合金6小時后，52at.％Ni合金的Af和55at.％Ni合金的As似乎和Af都是穩(wěn)定的，但奧氏體起始溫度不是不受總組成的制約。此外，在600℃的第二老化溫度下老化2小時后，52at.％Ni合金的As或Af都是不穩(wěn)定的，并且奧氏體起始溫度與總組成有關(guān)。
盡管在此沒有限制，但認(rèn)為在第二老化溫度下老化之前55at.％Ni合金的TiNi相的固溶體中的鎳量比52at.％Ni合金更接近于鎳在600℃下的TiNi相的固體溶解度極限。因此，為獲得55at.％Ni合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度，在600℃下所必須的老化時間低于52at.％Ni合金。然而，如表2所示，通過在600℃下老化合金24小時可以獲得穩(wěn)定且與總組成無關(guān)的奧氏體相變溫度。因此，對兩種合金可以使用同樣的熱處理而可不考慮合金的起始條件。
從表2可見，通過在566℃的第二老化溫度下老化任何一種合金72小時，都可以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度(As和Af兩者)(即，在566℃下老化72小時后在相同條件下熱處理鎳-鈦合金另外8小時，的各合金的As和Af偏離不大于10℃)。此外，在566℃的第二老化溫度下老化72小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度同樣不受鎳-鈦合金總組成的制約。也就是說，在566℃的第二老化溫度下熱處理合金72小時后，55at.％Ni合金的As不超出52at.％Ni合金As的10℃；而在566℃的第二老化溫度下熱處理合金72小時后，55at.％Ni合金的Af不超出52at.％Ni合金Af的10℃。
比較起來，盡管好象在566℃的第二老化溫度下老化合金24小時后，52at.％Ni合金的Af和55at.％Ni合金的As和Af似乎都是穩(wěn)定的，但奧氏體起始溫度受總組成的制約。此外，在566℃的第二老化溫度下老化2～6小時，奧氏體相變溫度既不穩(wěn)定又與總組成有關(guān)。
此外，如表2所示，于600℃下老化鎳-鈦合金24小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度(As和Af兩者)，低于在566℃下老化鎳-鈦合金24小時后所獲得的穩(wěn)定奧氏體相變溫度。盡管無意受任何特定理論的束縛，但如前所述，認(rèn)為這歸因于600℃下與566℃下相比較TiNi相中的鎳的固體溶解度極限不同。換句話說，在600℃下TiNi相的固溶體中具有平衡量鎳的鎳-鈦合金的特征奧氏體相變溫度，低于在566℃下TiNi相的固溶體中具有平衡量鎳的鎳-鈦合金的特征奧氏體相變溫度。
此外，如表2所示，通常在指定的老化溫度下兩種合金的奧氏體相變溫度傾向于隨著老化時間的增長而變窄。如前有關(guān)奧氏體相變溫度的討論，認(rèn)為在600℃下老化的55at.％Ni合金的奧氏體相變溫度范圍波動較小，這歸因于合金具有接近600℃下老化前的固體溶解度極限的在TiNi相的固溶體中的鎳量的合金。
應(yīng)當(dāng)理解的是本說明書說明了有關(guān)要清楚理解本發(fā)明的發(fā)明各個方面。對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，因此，無助于更好理解本發(fā)明的發(fā)明一些方面，為簡化本說明書起見，不予以陳述。盡管本發(fā)明結(jié)合一些實施方案進(jìn)行說明，但屬于現(xiàn)有技術(shù)的一般技術(shù)的那些，考慮前面的說明，將認(rèn)識到可以應(yīng)用許多改進(jìn)方案和變更方案。所有本發(fā)明的這些變更方案和改進(jìn)方案都為前面的說明和下面的權(quán)利要求書所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度的方法，該法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度；和熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)合金的TiNi相的固溶體中的鎳量，致使在熱處理鎳-鈦合金的過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，其中穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中鎳-鈦合金含有足以在熱處理鎳-鈦合金過程中達(dá)到固體溶解度極限的鎳。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其中所要求的奧氏體相變溫度范圍在-100℃與100℃之間。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其中在熱處理鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度不受鎳-鈦合金總組成的制約。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其中鎳-鈦合金是在500℃～800℃的溫度下等溫老化。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金至少2小時。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金至少24小時。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金并隨后于第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，第一老化溫度高于第二老化溫度。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其中第一老化溫度在600℃與800℃之間變化，而第二老化溫度在500℃與600℃之間變化。
11.按權(quán)利要求9所述的方法，其中鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
12.按權(quán)利要求1所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金和隨后在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，第一老化溫度低于第二老化溫度。
13.按權(quán)利要求12所述的方法，其中第一老化溫度在500℃與600℃之間變化，而第二老化溫度在600℃與800℃之間變化。
14.按權(quán)利要求12所述的方法，其中鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
15.按權(quán)利要求1所述的方法，其中鎳-鈦合金是二元鎳-鈦合金。
16.按權(quán)利要求1所述的方法，其中鎳-鈦合金進(jìn)一步包含至少一種另外的合金元素。
17.按權(quán)利要求16所述的方法，其中至少一種另外的合金元素選自銅、鐵和鉿。
18.一種處理鎳-鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度的方法，該法包括選擇含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金；選擇所要求的奧氏體相變溫度；和熱處理所選擇的鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)合金的TiNi相的固溶體中的鎳量，致使在熱處理所選擇的鎳-鈦合金的過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等；以及其中所選擇的鎳-鈦合金含有足以在熱處理所選擇的鎳-鈦合金過程中達(dá)到固體溶解度極限的鎳量。
19.按權(quán)利要求18所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的穩(wěn)定奧氏體相變溫度不受鎳-鈦合金總組成的制約。
20.一種處理至少兩種具有大于50到55原子％鎳的變化組分的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度的方法，該法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度；和使鎳-鈦合金經(jīng)受類似的熱處理致使熱處理后，鎳-鈦合金具有穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，該穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等。
21.按權(quán)利要求20所述的方法，其中至少兩種鎳-鈦合金含有足以在熱處理中達(dá)到固體溶解度極限的鎳量。
22.按權(quán)利要求20所述的方法，其中熱處理至少兩種鎳-鈦合金包括等溫老化至少兩種鎳-鈦合金。
23.按權(quán)利要求20所述的方法，其中熱處理至少兩種鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化至少兩種鎳-鈦合金，隨后在第二老化溫度下老化至少兩種鎳-鈦合金，第一老化溫度高于第二老化溫度。
24.按權(quán)利要求23所述的方法，其中至少兩種鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
25.按權(quán)利要求20所述的方法，其中熱處理至少兩種鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化至少兩種鎳-鈦合金，隨后在第二老化溫度下老化至少兩種鎳-鈦合金，第一老化溫度低于第二老化溫度。
26.按權(quán)利要求25所述的方法，其中至少兩種鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
27.一種處理包含大于50到55原子％鎳可變組分區(qū)域的鎳-鈦合金致使各區(qū)域具有所要求的奧氏體相變溫度的方法，該法包括熱處理鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金各區(qū)域內(nèi)的TiNi相的固溶體中的鎳量，其中熱處理鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域具有與所要求的奧氏體相變溫度基本相等的穩(wěn)定奧氏體相變溫度。
28.按權(quán)利要求27所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括等溫老化鎳-鈦合金。
29.按權(quán)利要求27所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金，隨后在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，第一老化溫度高于第二老化溫度。
30.按權(quán)利要求29所述的方法，其中鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
31.按權(quán)利要求27所述的方法，其中熱處理鎳-鈦合金包括在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金，隨后在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，第一老化溫度低于第二老化溫度。
32.按權(quán)利要求31所述的方法，其中鎳-鈦合金在第二老化溫度下的老化過程中獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度。
33.一種處理含有大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的方法，該法包括于在500℃與800℃之間的溫度變化的爐內(nèi)等溫老化鎳-鈦合金至少2小時，其中老化后鎳-鈦合金具有不大于15℃的奧氏體相變溫度范圍。
34.按權(quán)利要求33所述的方法，其中老化后奧氏體相變溫度范圍不大于10℃。
35.按權(quán)利要求33所述的方法，其中老化后奧氏體相變溫度范圍不大于6℃。
36.按權(quán)利要求33所述的方法，其中鎳-鈦合金是二元鎳-鈦合金。
37.按權(quán)利要求33所述的方法，其中鎳-鈦合金進(jìn)一步含有至少一種另外的合金元素。
38.按權(quán)利要求37所述的方法，其中至少一種另外的合金元素選自銅、鐵和鉿。
39.一種處理包含大于50到55原子％鎳可變組分區(qū)域的鎳-鈦合金致使各區(qū)域具有所要求的奧氏體相變溫度范圍的方法，該法包括等溫老化鎳-鈦合金以調(diào)節(jié)鎳-鈦合金各區(qū)域內(nèi)的TiNi相的固溶體中的鎳量，其中等溫老化鎳-鈦合金后，鎳-鈦合金的各區(qū)域內(nèi)具有不大于15℃的奧氏體相變溫度范圍。
40.按權(quán)利要求39所述的方法，其中老化后奧氏體相變溫度范圍不大于10℃。
41.按權(quán)利要求39所述的方法，其中老化后奧氏體相變溫度范圍不大于6℃。
42.一種處理包含大于50到55原子％鎳的鎳-鈦合金以獲得所要求的奧氏體相變溫度范圍的方法，該法包括在第一老化溫度的爐內(nèi)老化鎳-鈦合金以獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度；和在不同于第一老化溫度的第二老化溫度下老化鎳-鈦合金，其中在第二老化溫度下老化后，鎳-鈦合金具有與所要求的相變溫度范圍基本相等的奧氏體相變溫度范圍。
43.按權(quán)利要求42所述的方法，其中第二老化溫度低于第一老化溫度。
44.按權(quán)利要求42所述的方法，其中第二老化溫度高于第一老化溫度。
45.按權(quán)利要求42所述的方法，其中在第二老化溫度下老化鎳-鈦合金后所獲得的奧氏體相變溫度高于在第一老化溫度下老化鎳-鈦合金后所獲得的奧氏體相變溫度范圍。
全文摘要
本發(fā)明的一些實施方案提供了處理含有大于50到55原子％鎳的鎳－鈦合金以提供所要求的奧氏體相變溫度和/或奧氏體相變溫度范圍的方法。在一個實施方案中，該方法包括選擇所要求的奧氏體相變溫度，并熱處理鎳－鈦合金以調(diào)節(jié)合金的TiNi相的固溶體中的鎳量致使獲得穩(wěn)定的奧氏體相變溫度，其中穩(wěn)定的奧氏體相變溫度與所要求的奧氏體相變溫度基本相等。
文檔編號C22C19/00GK1780924SQ200480011784
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月1日
發(fā)明者克雷格·沃杰西克 申請人:Ati資產(chǎn)公司