專利名稱：：超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于形狀記憶合金薄膜領(lǐng)域；具體涉及一種超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜及其制備方法。本發(fā)明方法制備的Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜具有超高恢復(fù)應(yīng)力及快響應(yīng)速度。
背景技術(shù)：
：Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜被認(rèn)為是目前微機(jī)械領(lǐng)域中較有發(fā)展前景的一種大應(yīng)力、應(yīng)變和高單位功密度的微驅(qū)動(dòng)器材料。Ti-Ni-Cu合金薄膜通過控制成分可以實(shí)現(xiàn)較小的相變溫度滯后(最小僅4度)，極大地提高了薄膜的響應(yīng)速度，且其輸出應(yīng)力較大，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但當(dāng)Cu含量超過10at.%(原子百分含量)后，采用普通的甩帶法制備Ti-Ni-Cu合金薄膜變得非常困難，且薄膜的成分和機(jī)械性能難于控制。同時(shí)，對于Ti含量為50at.%左右的Ti-Ni-Cu合金薄膜而言，經(jīng)現(xiàn)有工藝處理后其組織為單相，所能提供的輸出應(yīng)力僅略高于Ti-Ni二元合金薄膜，不能滿足微驅(qū)動(dòng)元件的超高單位體積輸出功的要求?，F(xiàn)有Ti-Ni-Cu合金薄膜要具有高強(qiáng)度，其膜尺寸就大，而且目前Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的輸出應(yīng)力最高在500MPa左右，不能滿足微驅(qū)動(dòng)元件的小尺寸、超高恢復(fù)應(yīng)力(高于lGPa)的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決了現(xiàn)有Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜不能滿足微驅(qū)動(dòng)元件的超高單位體積輸出功的問題；而提供超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜及其制備方法。本發(fā)明中超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜按原子百分含量由50.5%66.6%Ti、15%40%Cu和余量的Ni組成。本發(fā)明中超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的以玻璃作為襯底，將玻璃洗凈后放入磁控濺射儀的真空室中，抽真空至真空室中的真空度為3X10—5Pa;然后通入氬氣使氬氣分壓達(dá)到0.010.3Pa，以鎳、鈦、銅作為陰極采用磁控共濺射法進(jìn)行沉積13h，其中沉積過程中，耙陰極鎳的濺射功率為150300W，耙陰極鈦的濺射功率為IOOOW，耙陰極銅的濺射功率為2050W，襯底溫度為200°C;揭膜后放入真空熱處理爐內(nèi)，在熱處理溫度為45070(TC、真空度為2.7X10—5Pa條件下進(jìn)行真空熱處理lmin100h，真空條件下冷卻至室溫；即得超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜。本發(fā)明利用多靶磁控濺射和真空熱處理技術(shù)，制備Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜(其成分范圍Ti含量50.566.6at.X，Cu含量1540at.%，其他為Ni)，減小了相變溫度滯后，通過熱處理工藝調(diào)節(jié)薄膜的晶粒尺寸以及其中的時(shí)效析出相類型、尺寸和分布等顯微組織結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為50500nm，厚度為310ym，本發(fā)明的Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜具有超高恢復(fù)應(yīng)力(高于lGPa)、快響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)，可滿足微驅(qū)動(dòng)元件的小尺3寸、超高驅(qū)動(dòng)力的要求。圖1是Cu含量和熱處理溫度對恢復(fù)應(yīng)力的影響圖；圖2是Ti51.5Ni48.5形狀記憶合金的溫度-應(yīng)變曲線圖；圖3是1154.2附18.20127.6(^.%)形狀記憶合金的溫度-應(yīng)變曲線圖；圖4是TisuNi^Ci^.e形狀記憶合金經(jīng)500°C/1小時(shí)真空熱處理后的顯微組織結(jié)構(gòu)圖；圖5是Ti51.2Ni15.7Cu33.工形狀記憶合金經(jīng)500°C/1小時(shí)真空熱處理后的顯微組織結(jié)構(gòu)圖；圖6是經(jīng)500。C/1小時(shí)真空熱處理后Ti5L5Ni3uCu仏4、Ti51.4Ni15.2Cu23.4、Ti51.3Ni21.禾口Ti^Ni^Cu^形狀記憶合金薄膜室溫X-射線衍射譜圖；圖7是Ti51.4Ni33.2Cu15.4薄膜組織圖圖8是Ti51.4Ni33.2Cu15.4形狀記憶合金薄膜拉伸性能曲線圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。具體實(shí)施方式一本實(shí)施方式的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜按原子百分含量由50.5%66.6%Ti、15%40%Cu和余量的Ni組成。本發(fā)明所述的Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜減小了相變溫度滯后，晶粒尺寸為50500nm，厚度為310ym，具有超高恢復(fù)應(yīng)力(高于lGPa)、快響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)，可滿足微驅(qū)動(dòng)元件的小尺寸、超高驅(qū)動(dòng)力的要求。具體實(shí)施方式二本實(shí)施方式中Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的以玻璃作為襯底，將玻璃洗凈后放入磁控濺射儀的真空室中，抽真空至真空室中的真空度為3X10—5Pa;然后通入氬氣使氬氣分壓達(dá)到0.010.3Pa，以鎳、鈦、銅作為陰極采用磁控共濺射法進(jìn)行沉積13h，其中沉積過程中，耙陰極鎳的濺射功率為150300W，耙陰極鈦的濺射功率為IOOOW，靶陰極銅的濺射功率為2050W，襯底溫度為200°C;揭膜后放入真空熱處理爐內(nèi)，在熱處理溫度為45070(TC、真空度為2.7X10—5Pa條件下進(jìn)行真空熱處理lmin100h，真空條件下冷卻至室溫；即得超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜。本實(shí)施方式制得的Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜中，Ti元素的原子百分含量為50.566.6%，Cu元素的原子百分含量為1540at.%，余量為為Ni元素；晶粒尺寸為50500nm，厚度為310iim。表1不同薄膜成分的Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的恢復(fù)應(yīng)力及晶粒尺寸表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表1所為多靶磁控濺射制備Ti-Ni-Cu合金薄膜的制備工藝參數(shù)，以及最終的薄膜成分及所獲得薄膜真空熱處理工藝與恢復(fù)應(yīng)力之間的關(guān)系。研究表明，濺射沉積所得薄膜為非晶態(tài)，其結(jié)晶溫度為45(TC，當(dāng)后續(xù)真空熱處理溫度低于45(TC，不能得到晶態(tài)的Ti-Ni-Cu合金薄膜。當(dāng)后續(xù)真空熱處理溫度高于450°C，則需要控制結(jié)晶溫度或者時(shí)間，來調(diào)節(jié)Ti-Ni-Cu合金薄膜的晶粒尺寸。當(dāng)熱處理溫度高于700°C，薄膜的性能將會(huì)劇烈下降，需要避免。圖1所示為Cu含量以及真空熱處理溫度對薄膜的恢復(fù)應(yīng)力的影響。由圖1可知表1所示的各種成分的Ti-Ni-Cu合金薄膜均可獲得lGPa以上的形狀恢復(fù)應(yīng)力。從圖1中還可看出，Ti含量的升高也有利于Ti-Ni-Cu的形狀恢復(fù)應(yīng)力的升高，但其效果沒有Cu含量升高所帶來的效果顯著。圖2和圖3所示分別為Ti5L5Ni48.5(at.%)和Ti54.2Ni18.2Cu27.6(at.%)合金薄膜的溫度_應(yīng)變曲線。Ti51.5Ni48.5二元合金薄膜在外加載荷為240MPa時(shí)，可呈現(xiàn)完全的形狀記憶效應(yīng)；但當(dāng)外加載荷為480MPa時(shí)，則呈現(xiàn)出明顯的殘余塑性變形，表明此時(shí)外加載荷已經(jīng)高于薄膜的恢復(fù)應(yīng)力(輸出應(yīng)變)。1154.2附18.20127.6合金薄膜則在外加載荷為240-1160Gpa時(shí)，均完全恢復(fù)，不呈現(xiàn)明顯的殘余應(yīng)變。這表明1^54.2附18.20!27.6合金薄膜的輸出應(yīng)變超過lGPa。且其升溫和降溫曲線之間的間隔表明該Ti-Ni-Cu合金薄膜的相變溫度滯后較小。圖4和圖5所示分別為Ti51.3Ni21.Aw和Ti51.2Ni15.7Cu33.工合金薄膜經(jīng)500°C/1小時(shí)真空熱處理后的顯微組織結(jié)構(gòu)。圖6所示為四種合金薄膜的X-射線衍射譜。這些表明，Ti-Ni-Cu合金薄膜在真空熱處理過程中析出Ti2Cu或者TiCu相。對比其最大可恢復(fù)應(yīng)力，當(dāng)薄膜的晶粒尺寸小于500nm時(shí)，薄膜呈現(xiàn)lGPa以上的恢復(fù)應(yīng)力；但薄膜的晶粒尺寸超過500nm時(shí)，薄膜的恢復(fù)應(yīng)力不呈現(xiàn)特別顯著的增加。與現(xiàn)有的Ti-Ni二元合金相比，本發(fā)明方法制備的的Ti-Ni-Cu合金薄膜，其形狀恢復(fù)應(yīng)力(輸出應(yīng)力)可達(dá)lGPa以上，且同時(shí)具有較窄的相變溫度滯后。采用本專利方法使得Ti-Ni-Cu合金薄膜(其成分范圍Ti含量50.5-66.6at.%，Cu含量27_40at.%，其他為Ni)具有超高的輸出應(yīng)力和較快的響應(yīng)速度。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二不同的是所述磁控濺射儀為超高真空多靶磁控濺射儀。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二相同。具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三不同的是所述真空熱處理溫度為500°C。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二或三相同。具體實(shí)施方式五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三不同的是所述真空熱處理溫度為600°C。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二或三相同。具體實(shí)施方式六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至五不同的是所述真空熱處理時(shí)間為30min50h。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二至五相同。具體實(shí)施方式七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至五不同的是所述真空熱處理時(shí)間為lh。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二至五相同。具體實(shí)施方式八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至七不同的是所述真空熱處理是采用紅外線進(jìn)行加熱的。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式二至七相同。具體實(shí)施方式九本實(shí)施方式中Ti51.4Ni33.2Cu15.4形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于Ti5uNi^Cl^4形狀記憶合金薄膜的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的以玻璃作為襯底，將玻璃洗凈后放入磁控濺射儀的真空室中，抽真空至真空室中的真空度為3X10—5Pa;然后通入氬氣使氬氣分壓達(dá)到0.13Pa，以鎳、鈦、銅作為陰極采用磁控共濺射法進(jìn)行沉積2.5h，其中沉積過程中，耙陰極鎳的濺射功率均為202W，耙陰極鈦的濺射功率為IOOOW，靶陰極鈦的濺射功率為26W，襯底溫度為20(TC;揭膜后放入真空熱處理爐內(nèi)，采用紅外線加熱，在熱處理為60(TC、真空度為2.7X10—spa條件下進(jìn)行真空熱處理lh，真空條件下冷卻至室溫；即得Ti51.4Ni33.2Cu15.4形狀記憶合金薄膜。本發(fā)明制備的Ti51.4Ni33.2Cu15.4形狀記憶合金薄膜厚度為7.7i！m;其組織如圖9和IO，其拉伸性能如圖10所示，由圖9可以看出在晶粒內(nèi)部有細(xì)小彌散的Ti2Cu析出相，由圖11可以看出薄膜在外加載荷超過lGPa后卸載，然后加熱可以完全恢復(fù)，無應(yīng)變殘余。權(quán)利要求超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜，其特征在于超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜按原子百分含量由50.5％～66.6％Ti、15％～40％Cu和余量的Ni組成。2.超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法是按下述步驟進(jìn)行的以玻璃作為襯底，將玻璃洗凈后放入磁控濺射儀的真空室中，抽真空至真空室中的真空度為3X10—5Pa;然后通入氬氣使氬氣分壓達(dá)到0.010.3Pa，以鎳、鈦、銅作為陰極采用磁控共濺射法進(jìn)行沉積13h，其中沉積過程中，耙陰極鎳的濺射功率為150300W，耙陰極鈦的濺射功率為IOOOW，耙陰極銅的濺射功率為2050W，襯底溫度為200°C;揭膜后放入真空熱處理爐內(nèi)，在熱處理溫度為45070(TC、真空度為2.7X10—5Pa條件下進(jìn)行真空熱處理lmin100h，真空條件下冷卻至室溫；即得超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述磁控濺射儀為超高真空多靶磁控濺射儀。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述真空熱處理溫度為500°C5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述真空熱處理溫度為600°C。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述真空熱處理時(shí)間為30min50h。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述真空熱處理時(shí)間為lh。8.根據(jù)權(quán)利要求2、3、6或7所述的超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于所述真空熱處理是采用紅外線進(jìn)行加熱。全文摘要超高恢復(fù)應(yīng)力Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜及其制備方法，它屬于形狀記憶合金薄膜領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜不能滿足微驅(qū)動(dòng)元件的超高單位體積輸出功的問題。Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜由Ti、Cu和Ni組成。本發(fā)明方法如下洗凈玻璃，抽真空，通氬氣，以鎳、鈦、銅作為陰極采用磁控共濺射法進(jìn)行沉積，再真空熱處理后隨爐冷卻；即得到Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜。本發(fā)明方法制備合金薄膜的晶粒尺寸為50～500nm，厚度為3～10μm，Ti-Ni-Cu形狀記憶合金薄膜具有超高恢復(fù)應(yīng)力(高于1GPa)、快響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)；可滿足微驅(qū)動(dòng)元件的小尺寸、超高驅(qū)動(dòng)力的要求。文檔編號C23C14/35GK101696481SQ20091007308公開日2010年4月21日申請日期2009年10月23日優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日發(fā)明者傅宇東,孟祥龍,蔡偉申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué);