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高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金及加工工藝的制作方法

文檔序號(hào):3250280閱讀:424來(lái)源:國(guó)知局

專(zhuān)利名稱::高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金及加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
:本發(fā)明涉及TiNi基形狀記憶合金強(qiáng)度和阻尼性能的改善技術(shù),具體地說(shuō)是一種高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金及加工工藝。
背景技術(shù)
:隨著工業(yè)的發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步,劇烈振動(dòng)引起的材料破壞、材料使用壽命下降等問(wèn)題日益受到人們的重視。TiNi基形狀記憶合金作為一種重要的孿晶阻尼材料,其阻尼性能比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)金屬材料至少高一個(gè)數(shù)量級(jí),兼有較好的強(qiáng)度和高阻尼的性能,能在較高溫度下使用,具有較好的耐磨耐蝕性能、抗疲勞效應(yīng)、較大的可恢復(fù)應(yīng)變、高的斷裂強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)廣泛用于電子儀器、醫(yī)療器械、空間技術(shù)和能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。但是,TiNi基合金在馬氏體狀態(tài)時(shí)才呈現(xiàn)穩(wěn)定的高阻尼特性,而該狀態(tài)下合金的屈服強(qiáng)度較低(可低至100MPa左右),從而影響了該類(lèi)合金作為高阻尼材料在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí),工業(yè)技術(shù)的發(fā)展也對(duì)材料阻尼性能提出了更高的要求,合金的阻尼性能有待進(jìn)一步改善。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金及加工工藝,通過(guò)添加合金元素,調(diào)整合金成分及相應(yīng)的制備和熱處理工藝,研制出組織均勻,性能優(yōu)良的高阻尼TiNi基合金。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是—種Ti-Ni-Nb-Mo高強(qiáng)高阻尼形狀記憶合金,按原子百分比計(jì),合金化學(xué)成分如下鎳43%46%,鈮8.0%12.0%,鉬0.1%4.0%,余量為鈦和不可避免的雜質(zhì),其中雜質(zhì)元素(按照重量百分比計(jì))0《0.050%%,C《0.070%,H《0.005%。所述合金化學(xué)成分中,Ti/Ni原子比范圍為0.8261.137。所述的Ti-Ni-Nb-Mo高強(qiáng)高阻尼形狀記憶合金的熱處理工藝,包括如下步驟1)在870°C88(TC下,保溫30分鐘/mm厚,空冷至室溫;2)在870°C88(TC下進(jìn)行熱加工;3)在820°C86(TC下,保溫40分鐘60分鐘后進(jìn)行固溶處理,水淬冷卻至室溫。所述的高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金,該記憶合金主要用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)或被動(dòng)控制,用于設(shè)計(jì)智能阻尼元件或智能振動(dòng)隔離器。本發(fā)明在TiNiNb形狀記憶合金的基礎(chǔ)上,通過(guò)加入少量的Mo元素和調(diào)整Ti/Ni原子比,采用合理的制備及熱處理工藝,使得馬氏體組織區(qū)域增大,提高了合金的本征阻尼,同時(shí)在基體中形成很多彌散的富Nb顆粒,對(duì)基體的分割作用增大了界面阻尼。另外,Mo元素的添加及合金成分的設(shè)計(jì),能有效地提高合金的屈服強(qiáng)度,改善合金力學(xué)性能。本發(fā)明以鈦鎳合金為基體,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的高強(qiáng)高阻尼性能的Ti-Ni-Nb-Mo四元形狀記憶合金。新合金的設(shè)計(jì)根據(jù)合金的阻尼機(jī)制,通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)增強(qiáng)這些機(jī)制,從而提高合金的阻尼性能。Ti-Ni系合金的高阻尼主要源于界面移動(dòng)的滯后性,這一界面包括馬氏體變體中的孿晶界、不同變體間的界面以及富Nb相與基體的界面。在Ti-Ni基合金的馬氏體中具有大量的孿晶界面,這些孿晶界面具有粘滯性,在外應(yīng)力作用下,孿晶界面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)與外加應(yīng)變協(xié)調(diào),這種自協(xié)作效應(yīng)使得合金具有高的阻尼性能。TtNi合金馬氏體具有24種變體,在外加應(yīng)力作用下,最有利方向的變體優(yōu)先生成,變體間的相對(duì)發(fā)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力馳豫,引起較高的阻尼性能。對(duì)Ti-Ni-Nb合金而言,Nb元素添加后形成的P-Nb相,一部分與TiNi基體結(jié)合生成共晶組織,另一部分以少量的P-Nb相單獨(dú)存在,這些P-Nb相對(duì)基體起到了分割作用,從而增加了界面阻尼。研究發(fā)現(xiàn),在合金中添加Mo元素后,一方面共晶組織變少,馬氏體區(qū)域變大,合金的本征阻尼增大。另一方面,在TiNi基體中形成彌散的富Nb顆粒,合金的界面阻尼提高。Mo元素添加后,一部分固溶在基體中起了強(qiáng)化基體的作用,另一部分,Mo的加入降低了Nb在基體中的固溶度,富Nb顆粒析出,一定程度上起到沉淀強(qiáng)化的作用,而Mo固溶在這些富Nb相中也強(qiáng)化了這些富Nb顆粒。另外,通過(guò)合金成分的設(shè)計(jì)調(diào)整相變溫度,使得在室溫下獲得較高的屈服強(qiáng)度,改善合金性能。為了提高Ti-Ni記憶合金的阻尼性能,根據(jù)上述阻尼機(jī)理,采取了以下幾個(gè)措施1、通過(guò)適當(dāng)?shù)臒峒庸ず蜔崽幚砉に?,均勻合金組織,打破了環(huán)狀的共晶組織,并使這些組織被拉長(zhǎng),增加了界面阻尼;2、在Ti-Ni-Nb合金中添加少量的Mo元素,一方面使合金中的馬氏體區(qū)域增大,本征阻尼提高;另一方面,13-Nb相及基體中析出的眾多彌散的富Nb顆粒,增大了界面阻尼,從而改善了合金的阻尼性能。3、通過(guò)添加一定的Mo元素和調(diào)整Ti/Ni原子比,增加合金的強(qiáng)度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、顯著提高了記憶合金的力學(xué)性能,合金的室溫屈服強(qiáng)度高于300MPa,斷裂強(qiáng)度可大于800MPa,延伸率可超過(guò)25%。2、顯著改善了合金的阻尼性能,合金在馬氏體態(tài)的阻尼性能比傳統(tǒng)的1144附47吣9合金高,并且TanS大于0.015。3、本發(fā)明可用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和被動(dòng)控制。圖1為鑄態(tài)Ni-Ti-Nb-Mo合金的微觀組織照片掃描電鏡觀察1000X;(a)-(d)Mo含量分別為0.lat.%,0.5at.%,1.Oat.%,1.5at.%。圖2為熱加工態(tài)Ni-Ti-Nb-Mo合金的微觀組織照片掃描電鏡觀察1000X;(a)-(d)Mo含量分別為0.lat.%,0.5at.%,1.Oat.%,1.5at.%。圖3為不同Mo含量的Ni-Ti-Nb-Mo合金在室溫拉伸時(shí)的曲線。圖4為不同Mo含量的Ni-Ti-Nb-Mo合金隨溫度變化的阻尼性能tanS對(duì)比曲線。圖5為真空感應(yīng)熔煉的Ni-Ti-Nb-Mo合金室溫拉伸曲線。圖6為真空感應(yīng)熔煉的Ni-Ti-Nb-Mo合金隨溫度變化的阻尼性能tanS對(duì)比曲線。具體實(shí)施方式實(shí)施例1:采用純鈦(>99.7wt%)、純鈮(>99.9wt%)及NiMo中間合金為原材料,合金成分及阻尼性能見(jiàn)表l。具體的冶煉步驟如下1)首先將純鈦、純鈮和Ni-Mo中間合金加入電弧爐中,升溫至1360±l(TC熔化;2)熄弧冷卻,等合金凝固后再起弧,反復(fù)熔煉4-6遍,保證合金成分均勻;3)采用水冷銅坩堝,待鑄錠完全凝固后,開(kāi)模取出。合金的鑄態(tài)組織見(jiàn)圖1(a)_(d)。圖中可見(jiàn),添加少量的Mo元素后,共晶組織變少,馬氏體區(qū)域變大,本征阻尼值增大,同時(shí)基體中析出很多白色的富Nb顆粒,彌散的小顆粒分割基體,增大了界面阻尼。熱處理工藝包括如下步驟1)在88(TC下保溫2小時(shí)后,空冷至室溫;2)在870。C下熱軋至厚度1.2mm;3)在86(TC下保溫40分鐘,水淬冷卻至室溫。合金經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒峒庸ぜ盁崽幚砉に嚭?,合金中的共晶組織被打破并被拉長(zhǎng),13_Nb分布更均勻彌散,進(jìn)一步提高了合金中相界面的密度,見(jiàn)圖2(a)-(d)。如圖3所示,經(jīng)熱軋和固溶處理后的Ni-Ti-Nb-Mo合金在室溫拉伸時(shí)的曲線。由圖3可知,隨著Mo含量的增加,合金的屈服強(qiáng)度提高,而延伸率降低很小。其中,含Mol.5at.%的合金的屈服強(qiáng)度較其他三者有了顯著提高。如圖4所示,經(jīng)熱軋和固溶處理后的Ni-Ti-Nb-Mo合金隨溫度變化的阻尼性能tanS對(duì)比曲線。由圖4可知,合金的阻尼性能隨著Mo含量增加而增加。其中,含Mo為1.5at.%的合金馬氏體態(tài)的阻尼性能更是達(dá)到了0.019,馬氏體相變峰值阻尼高達(dá)0.055,高于傳統(tǒng)的Ti44Ni47Nb9合金。表1合金的化學(xué)成分及其阻尼性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注①阻尼性能tanS值是在0°C,應(yīng)變振幅為1X10—4,頻率為1Hz時(shí)測(cè)得;實(shí)施例2:采用純鈦(>99.7wt%)、純鈮(>99.9wt%)、純鎳99.9wt%)和純鉬(>99.9wt%)為原材料,利用真空感應(yīng)熔煉,采用CaO坩堝,冶煉10Kg的Ni-Ti-Nb-Mo四元形狀記憶合金。其成分為T(mén)i:46.6at.%;Nb:9.Oat.%;Mo:1.23at.%,余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。按照實(shí)施方式1進(jìn)行加工和熱處理,適當(dāng)調(diào)整時(shí)間,其組織與實(shí)施方式1中的1.5Mo合金接近。圖5為其室溫的拉伸曲線,可以看出,該合金具有較高的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度高達(dá)330MPa,斷裂強(qiáng)度接近880MPa,延伸率為29%。圖6為其在1Hz下隨溫度變化的阻尼性能tanS對(duì)比曲線,可見(jiàn)合金在馬氏體狀態(tài)的阻尼性能高達(dá)0.015,可用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和被動(dòng)控制的場(chǎng)合,用于設(shè)計(jì)智能阻尼元件和智能振動(dòng)隔離器。實(shí)施例結(jié)果表明,本發(fā)明通過(guò)在TiNiNb合金中添加合金元素Mo和調(diào)整Ti/Ni原子比,經(jīng)過(guò)一定的熱加工及熱處理工藝,提高合金的力學(xué)性能和阻尼性能。權(quán)利要求一種高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金,其特征在于按原子百分比計(jì),合金化學(xué)成分如下鎳43%~46%,鈮8.0%~12.0%,鉬0.1%~4.0%,余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。2.按照權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金,其特征在于所述合金化學(xué)成分中,Ti/Ni原子比范圍為0.8261.137。3.按照權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金的加工工藝,其特征在于,包括如下步驟1)在870°C880。C下,保溫30分鐘/mm厚,空冷至室溫;2)在870°C88(TC下進(jìn)行熱加工;3)在820°C86(TC下,保溫40分鐘60分鐘后進(jìn)行固溶處理,水淬冷卻至室溫。4.按照權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金的應(yīng)用,其特征在于,該記憶合金主要用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)或被動(dòng)控制,用于設(shè)計(jì)智能阻尼元件或智能振動(dòng)隔離全文摘要本發(fā)明涉及TiNi基形狀記憶合金強(qiáng)度和阻尼性能的改善技術(shù),具體地說(shuō)是一種高強(qiáng)度高阻尼的Ti-Ni-Nb-Mo形狀記憶合金及加工工藝。按原子百分比計(jì),合金化學(xué)成分如下鎳43%~46%,鈮8.0%~12.0%,鉬0.1%~4.0%,余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明以TiNi合金為基,通過(guò)添加Nb元素和少量的Mo元素,調(diào)整合金元素含量及Ti/Ni原子比,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒峒庸ぜ盁崽幚砉に?,合金的室溫屈服?qiáng)度高于300MPa,斷裂強(qiáng)度大于800MPa,延伸率超過(guò)了25%。合金在馬氏體態(tài)的阻尼性能比傳統(tǒng)的Ti44Ni47Nb9合金高,并且Tanδ大于0.015。本發(fā)明可用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和被動(dòng)控制,用于設(shè)計(jì)智能阻尼元件和智能振動(dòng)隔離器。文檔編號(hào)C22C19/03GK101713036SQ200810013569公開(kāi)日2010年5月26日申請(qǐng)日期2008年10月8日優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日發(fā)明者劉樹(shù)偉,姜海昌,戎利建,閆德勝,陳英申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
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