[发明专利]提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种利用等通道转角挤压和后续热处理改善Cu-Al系形状记忆合金的组织结构以提高其记忆稳定性的组合加工方法，属于形状记忆合金加工技术领域。

背景技术

尽管Cu-Al系形状记忆合金具有较好的形状记忆效应和较高的阻尼性能，但其铸态合金晶粒粗大，力学性能不佳而不易加工，记忆稳定性尤待提高。目前，晶粒细化是公认的改善金属材料综合使用性能的有效方法，从Cu-Al系形状记忆合金的组织细化和加工工艺入手，有望改善其微观组织结构，从而提高其记忆稳定性和热机械性能。

铜基形状记忆合金的晶粒细化方法包括合金化法、快速凝固法和粉末冶金法等。加入适量的B、V、Ti、Zr等元素对铜材进行合金化，可生成第二相以阻碍铸态铜基体晶粒长大或阻止其晶界移动，但这些元素优先在晶界处富集，使固溶处理时晶粒长大趋势增加。在惰性气氛下，将熔融态的铜液直接喷射到高热导率材料制成的高速旋转的辊子外表面，熔液在很大的过冷度下形核率显著增大，可使铜合金的晶粒细化1－2个数量级，但它降低了铜合金的有序度，在时效过程中相变温度不稳定，尺寸和形状上也存在局限性。将高纯度的金属单质制成微细粉末，按比例混合均匀，在高温高压下进行烧结，可得到良好的抗循环衰减性和延展性，但其工艺参数难以控制。可见，上述方法虽可在不同程度上解决铜合金的晶粒粗大问题，却依然存在各种不足。

等通道转角挤压（ECAP）是20世纪80年代由俄罗斯科学家Segal教授和他的同事们在研究金属纯剪切变形的基础上发展起来的，其最初的目的是在不改变金属材料初始形状和截面尺寸的情况下产生剧烈的塑性变形，从而使材料的重复变形成为可能。90年代后，ECAP逐渐发展为一种制备块状、致密、超细晶块体金属材料的有效方法。它是利用试验材料在两个等径通道的相交区域发生的近似理想的剪切变形以及在加工过程中存在的加工硬化、动态回复和再结晶等来控制材料微观组织，从而达到细化晶粒和提高材料使用性能的目的。利用ECAP工艺制备的超细晶块体金属材料可表现出优异的机械和理化特性，如：Z.Horita在1×10^-4/s～33/s各种应变速率下研究了Al-Mg-Sc合金的延伸率，在3.3×10^-2/s的应变速率下，其延伸率可达2280％。

由于等通道转角挤压法具有诱人的发展前景，国内外越来越多的研究机构已涉入该研究领域，如：美国德克萨斯A＆M大学、俄罗斯UFA航空学院、南加利福尼亚大学、美国Almos国家重点实验室、日本大阪府立大学和日本九州大学等；哈尔滨工业大学、中国科学院金属研究所、河海大学、南京理工大学、西安建筑科技大学等。目前，研究者已经采用ECAP法对Al和Al合金、Mg和Mg合金、Cu合金、Ni、Ti和Ti合金及低碳钢等进行了不同路径、不同挤压道次的加工，各种合金的晶粒均得到显著细化，其强度、疲劳性能或超塑性均得到了不同程度的改善。ECAP加工的超细晶块体金属材料也已经开始投入实际应用，如俄罗斯科学家制备了超细晶1420铝合金，经高应变速率超塑性成型后加工成内燃机上的活塞；ECAP加工的大尺寸AA6061合金也已被用来制备锻造工业用零件。近年来，已有研究者将该工艺应用于Ni-Ti和Fe-Mn-Si等形状记忆合金的组织细化和微观结构改善，取得了较好的效果；而有关ECAP加工对Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的影响研究却未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺操作与设备要求简单的Cu-Al系形状记忆合金组合加工方法，藉此在不改变试件形状和尺寸的情况下提高合金的记忆稳定性，同时保持其良好的热机械性能，提高其成材率。鉴于等通道转角挤压加工技术在改善金属材料综合性能方面的广阔实用前景，我们围绕Cu-Al系形状记忆合金的等通道转角挤压和后续热处理组合加工工艺进行了细致的研究工作，旨在改善该系列形状记忆合金的微观组织结构，在提高其综合力学性能的同时提高其记忆稳定性，促进其规模化应用。本专利申请涉及了一种具有实用价值的提高Cu-Al系形状记忆合金记忆稳定性的组合加工方法。

本发明的特征在于将连续ECAP热挤压和后续热处理组合工艺应用于脆性较大的、含11wt.%铝的粗晶铸态Cu-Al系形状记忆合金，通过组织细化实现其记忆稳定性的提高。具体技术方案如下：