[发明专利]一种Fe-Mn-Al-Ni-Nb形状记忆合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种Fe‑Mn‑Al‑Ni‑Nb形状记忆合金及其制备方法。Mn：20％～43％；Al：13.50％～20％；Ni：7％～14％；Nb：0.50％～2％；Fe：余量。将工业纯铁、电解铝，电解镍以及铌铁在感应炉中直接冶炼，全部熔化；加入锰铁，合金熔液混合，然后随炉冷却至室温，得到铸锭；将铸锭在真空炉中均质化处理得到处理后的铸锭；将铸锭在1250℃保温30‑60min，然后降温至900℃保温30‑60min，重复在1250℃和900℃保温，进行2‑10次循环热处理后，随后水淬至室。本发明借助Nb促进晶内析出，强化基体；提高晶粒长大驱动力，铸态试样经热处理后具有大于1.8％的可回复应变。

技术领域

本发明涉及功能材料领域，提出一种Fe-Mn-Al-Ni-Nb形状记忆合金及其制备方法。

背景技术

形状记忆合金(SMAs)是一类具有形状记忆效应和伪/超弹性的功能性合金，所谓形状记忆效应为由马氏体相变引起的宏观应变经加热发生马氏体逆相变后恢复至原始状态的现象；而超弹性是指合金样品在全奥氏体态(TAf)在外力作用下发生大于其弹性阶段的变形(拉伸、压缩、弯曲等)，当外力去除后，合金样品自行恢复到外力作用前的状态的现象。

目前，主要应用的SMAs包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基等在内的多种形状记忆合金体系。Ni-Ti基合金拥有优异的形状记忆性能和生物相容性，广泛应用于航空航天、电子器件、医疗器械等领域；但是其加工性能差，价格昂贵，限制了其应用范围。此前Fe基记忆合金主要得到应用的为FeMnSi系合金。通过对FeMnSi系合金进行合金化，优化热处理制度等方式改善了其记忆性能，使其在管道接头、土木工程等领域得到了应用。但是其马氏体转变为该相变过程为半热弹性马氏体相变，因此其室温下几乎没有超弹性。与Ni-Ti基合金，大于8％的超弹性回复应变相比，传统铁基合金在室温下几乎没有超弹性。近来，FeNiCoAl系和FeMnAlNi系合金因析出有序的与基体共格的纳米析出相，其马氏体相变转变为热弹性相变，进而在铁基合金中实现了可观的超弹性(＞5％可回复应变)。而FeMnAlNi合金马氏体转变临界应力对温度依赖性小，其在-196℃至240℃的温度范围内呈现超弹性。因此，该合金具有广泛的应用前景。

2011年，Omori,T等人首次在FeMnAl合金中添加Ni元素，通过低温时效形成具有B2结构的β相(NiAl相)，该纳米析出相与母相呈共格关系，该合金的马氏体相变转变为热弹性在室温下该合金即表现出优异的超弹性。该团队提出添加少量的第五组元成分(Si、Ti、V、Cr、Co、Cu、Mo、W、B、C等)，可改善其超弹性。借鉴CuAlMn合金的经验，通过在1250℃-α单相区与900℃-α+γ双相区的循环热处理可促进晶粒的异常长大，得到类似竹节状的组织(即晶粒尺寸大于部件的半径)，减轻合金变形时晶粒之间的拘束力，从而改善超弹性，突破部件尺寸的限制。其中循环次数与晶粒尺寸的增大有关。

自此，各国学者主要针对Fe-35Mn-15Al-7.5Ni合金(单晶与多晶)，研究了时效、应力状态等对超弹性的影响。而关于添加合金元素对超弹性的影响，仅见于Vollmer.M等人和Kwon.P等人的研究。添加Ti元素，可大大降低淬火裂纹，同时Ti添加后，促进了晶粒异常长大，通过一定的热处理后，可得到200mm左右的单晶棒材。Cr的添加使α→γ’相变转为α→ε→γ’相变，在FeMnAlNiCr合金中，亚晶粒的存在状态抑制该合金晶粒异常长大，不利于得到优异的超弹性。

目前，针对FeMnAlNi这一新型合金体系，合金化的研究尚不够深入。如何通过有效的合金化，提高基体强度，简化热处理制度，改善超弹性性能，需要进一步探索，分析其相变机理，揭示影响超弹性的机制所在。

发明内容