Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合絲材及其制法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的物理及化學(xué)性能是彈性應(yīng)變的函數(shù)，如果金屬材料可呈現(xiàn)超大彈性應(yīng)變，不僅使其具有超高強(qiáng)度(彈性模量X彈性應(yīng)變)，而且可望使其具有特異的物理及化學(xué)性能。然而，傳統(tǒng)塊體金屬材料的彈性應(yīng)變極限通常小于1%，因彈性應(yīng)變小而不能顯著改變物理及化學(xué)性能。已有研宄表明，單個(gè)自由態(tài)納米線可呈現(xiàn)超大彈性應(yīng)變(4-7% )，但由于其尺寸小而應(yīng)用受限?？蓪⒓{米線與其它金屬構(gòu)成復(fù)合材料，但納米線在傳統(tǒng)金屬復(fù)合材料中卻失去其本征超大彈性應(yīng)變(?1.5% )。最近，報(bào)道了一種Nb納米線/超彈態(tài)NiTi記憶合金復(fù)合材料(Science 339，1191，2013)，首次發(fā)現(xiàn)，在加載過程中，Nb納米線呈現(xiàn)出超大拉伸彈性應(yīng)變(4.2-6.5% )，在卸載過程中，Nb納米線的超大拉伸彈性應(yīng)變被釋放，使得在卸載后的自由態(tài)復(fù)合材料中納米線的超大拉伸彈性應(yīng)變不能被保留，而限制其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材及其制備方法。該復(fù)合材料絲材及其制備方法能夠在自由態(tài)塊體復(fù)合材料中保留Nb納米帶的超大拉伸彈性應(yīng)變，利用該超大拉伸彈性應(yīng)變能夠提尚自由態(tài)復(fù)合材料的超導(dǎo)性能。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材，該復(fù)合材料絲材包括納米尺度Nb相與NiTi基體相，以該復(fù)合材料絲材的總量計(jì)，其包括以下成分:原子百分比為7-15%的Nb元素，以及原子比為(0.8:1)-(1.2:1)的Ti元素和Ni元素，T1、Ni和Nb三種元素的原子百分?jǐn)?shù)之和為100% ；
[0005]所述復(fù)合材料絲材是通過以下步驟制備得到的:
[0006]按照所述Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的成分配比選取純度在99wt.%以上的單質(zhì)镲、鈦、銀；
[0007]將選取的單質(zhì)鎳、鈦、鈮放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行澆鑄，得到Nb/NiTi鑄錠；
[0008]在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護(hù)中對該鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理；
[0009]將經(jīng)均勻化退火處理后的鑄錠進(jìn)行熱鍛成型；
[0010]對熱鍛后的型材進(jìn)行塑性加工、退火處理及拉伸循環(huán)變形處理，其中，所述拉伸循環(huán)變形處理包括:對經(jīng)塑性加工和退火處理后的退火態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行至少一次(優(yōu)選為一次)單軸拉伸加載-卸載循環(huán)變形，變形量為1-9 %，得到所述的Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材。
[0011]本發(fā)明提供的復(fù)合材料絲材由納米尺度Nb相和NiTi基體相組成，納米尺度Nb相為帶狀，NiTi基體相由自適應(yīng)馬氏體多變體組成，納米尺度Nb相中含有少量的Ti和Ni，NiTi相中含有少量的Nb。
[0012]在上述的復(fù)合材料絲材中，優(yōu)選地，所述Nb納米帶的厚度為5-50納米，寬度為20-200 納米。
[0013]另一方面，本發(fā)明還提供一種上述的Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的制備方法，其包括以下步驟:
[0014]按照所述Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的成分配比選取純度在99wt.%以上的單質(zhì)镲、鈦、銀；
[0015]將選取的單質(zhì)鎳、鈦、鈮放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行澆鑄，得到Nb/NiTi鑄錠；
[0016]在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護(hù)中對該鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理；
[0017]將均勻化退火處理后的鑄錠進(jìn)行熱鍛成型；
[0018]對熱鍛后的型材進(jìn)行塑性加工、退火處理及拉伸循環(huán)變形處理，其中，所述拉伸循環(huán)變形處理包括:對經(jīng)塑性加工和退火處理后的退火態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行至少一次(優(yōu)選為一次)單軸拉伸加載-卸載循環(huán)變形，變形量為1-9 %，得到所述的Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材。
[0019]在熔煉過程中，Nb相會以原位自生的方式形成于NiTi基體中，獲得具有亞共晶組織的Nb/NiTi鑄錠。T1、Ni的原子比控制在(0.8:1)-(1.2:1)的特定比例，并使其余均為Nb元素，T1、N1、Nb三種元素的原子百分比之和為100%，能夠使得到的鑄錠具良好的塑性變形能力。
[0020]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理的溫度為800-1000°C，時(shí)間為5-50小時(shí)，以改善鑄錠的組織狀態(tài)并利于后續(xù)塑性加工。
[0021]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對經(jīng)均勻化退火處理后的鑄錠進(jìn)行熱鍛的溫度為800-1000°C，以提高熱鍛后得到的型材的性能。
[0022]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述塑性加工包括:對熱鍛后的型材進(jìn)行熱拔和/或溫拔后，重復(fù)進(jìn)行冷拔及中間退火，(更優(yōu)選為對熱鍛后的型材進(jìn)行溫拔后，重復(fù)進(jìn)行冷拔及中間退火)，得到絲材。其中，所采用的各種設(shè)備和具體的工藝方法均是塑性加工領(lǐng)域常用的設(shè)備和方法。
[0023]在熱鍛后的型材中，Nb相為亞微米尺度的顆粒狀，通過對熱鍛后的型材進(jìn)行溫拔和重復(fù)進(jìn)行冷拔及中間退火處理，使得亞微米尺度Nb顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)镹b納米帶。
[0024]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對熱鍛后的型材進(jìn)行溫拔的溫度為450_600°C，以防止在溫拔過程中Nb納米帶發(fā)生球化。可以對溫拔后的絲材進(jìn)行常規(guī)的退火處理，然后再進(jìn)行重復(fù)冷拔及中間退火處理。
[0025]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對經(jīng)溫拔后的絲材進(jìn)行重復(fù)冷拔及中間退火處理的中間退火溫度為600-750°C，時(shí)間為2-10分鐘。
[0026]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對經(jīng)塑性加工后的絲材進(jìn)行的退火處理(即晶化退火處理)的溫度為450-650°C，時(shí)間為5-60分鐘；更優(yōu)選地，退火溫度為500-600°C。在該退火處理過程中，NiTi基體發(fā)生晶化，使得復(fù)合材料具有一定的塑性變形能力，而Nb納米帶不發(fā)生球化。
[0027]在本發(fā)明中，在塑性加工及退火處理后的復(fù)合材料絲材中，NiTi基體由自適應(yīng)馬氏體多變體組成，Nb納米帶均勾分布于馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體中。
[0028]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對經(jīng)塑性加工和退火處理后的退火態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸循環(huán)變形處理的溫度低于100°c。
[0029]在經(jīng)上述單軸拉伸循環(huán)變形處理后的復(fù)合材料絲材中，Nb納米帶的0.4% -2.8%拉伸彈性應(yīng)變被保留在拉伸卸載后的自由態(tài)復(fù)合材料絲材中。
[0030]在本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中，對經(jīng)本發(fā)明的單軸拉伸循環(huán)變形處理前后的兩種自由態(tài)復(fù)合材料樣品進(jìn)行超導(dǎo)性能測試，發(fā)現(xiàn)，經(jīng)單軸拉伸循環(huán)變形處理后的自由態(tài)復(fù)合材料樣品的超導(dǎo)臨界溫度和臨界磁場均顯著高于單軸拉伸循環(huán)變形處理前的自由態(tài)復(fù)合材料樣品。
[0031]由此可以看出，本發(fā)明提供的Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材及其制備方法，由于該材料的特定組成和制備方法，尤其通過將變形量為1-9%的單軸拉伸加載-卸載循環(huán)變形的步驟，能夠在自由態(tài)塊體復(fù)合材料中保留Nb納米帶的超大拉伸彈性應(yīng)變，利用該超大拉伸彈性應(yīng)變能夠提高自由態(tài)復(fù)合材料的超導(dǎo)性能，包括超導(dǎo)臨界溫度和磁場。并且，通過控制Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的單軸拉伸加-卸載循環(huán)應(yīng)變量可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)自由態(tài)復(fù)合材料中Nb納米帶被保留拉伸彈性應(yīng)變的大小，通過控制自由態(tài)復(fù)合材料中Nb納米帶被保留拉伸彈性應(yīng)變的大小可以實(shí)現(xiàn)自由態(tài)復(fù)合材料的超導(dǎo)臨界溫度和臨界磁場的調(diào)控。
【附圖說明】
[0032]圖1是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材縱截面的透射電鏡明場像照片；
[0033]圖2是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材橫截面的透射電鏡高角度環(huán)形暗場像照片；
[0034]圖3是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材的一維高能X射線衍射譜；
[0035]圖4是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材的NiTi基體的透射電鏡明場像照片；
[0036]圖5是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材在8.7%單軸拉伸加-卸載循環(huán)變形過程中，Nb納米帶沿絲軸向的拉伸彈性應(yīng)變與樣品宏觀拉伸應(yīng)變的關(guān)系曲線；
[0037]圖6是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材經(jīng)8.7%單軸拉伸加-卸載循環(huán)變形處理后復(fù)合材料樣品與未經(jīng)變形處理的復(fù)合材料樣品的超導(dǎo)臨界溫度測試曲線的比較圖；
[0038]圖7是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料絲材的多步單軸拉伸加-卸載循環(huán)變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
[0039]圖8是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料絲材的在多步單軸拉伸加-卸載循環(huán)變形過程中，Nb納米帶沿絲軸向的拉伸彈性應(yīng)變與樣品宏觀拉伸應(yīng)變的關(guān)系曲線；
[0040]圖9是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料絲材在多步單軸拉伸加載-卸載循環(huán)變形處理后自由態(tài)復(fù)合材料樣品中Nb納米帶被保留拉伸彈性應(yīng)變與樣品宏觀循環(huán)變形的關(guān)系曲線；
[0041]圖10是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料絲材中Nb納米帶被保留拉伸彈性應(yīng)變與自由態(tài)復(fù)合材料超導(dǎo)臨界溫度的關(guān)系曲線；
[0042]圖11是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料絲材中Nb納米帶被保留拉伸彈性應(yīng)變與自由態(tài)復(fù)合材料超導(dǎo)臨界磁場的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0043]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0044]本發(fā)明提供的Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的制備方法可以包括以下具體步驟:
[0045](I)按所述Nb納米帶/馬氏體態(tài)NiTi記憶合金基體復(fù)合材料絲材的成分配比選取純度為99wt.%以上的銀，純度為99wt.%以上的鈦，純度為99wt.%以上的镲；
[0046](2)將選取的單質(zhì)鎳、鈦、鈮放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中，然后進(jìn)行澆鑄，得到Nb/NiTi鑄錠；
[0047](3)在真空爐內(nèi)(極限真空度為6.0X I(T4Pa),在800-1000°C (優(yōu)選為950°C)下對該鑄錠進(jìn)行5-50小時(shí)(優(yōu)選為10小時(shí))的均勻化退火處理；
[0048](4)將經(jīng)均勻化退火處理后的鑄錠在800-1000°C (優(yōu)選為850°C )下熱鍛成棒狀的型材；
[0049](5)對熱鍛后得到的棒狀型材進(jìn)行溫拔，溫拔溫度為450_600°C (優(yōu)選為