[发明专利]一种超细晶镍钛基合金及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种超细晶镍钛基合金及其制备方法与应用。所述超细晶镍钛基合金的微观组织由晶粒尺寸为200‑350nm的超细晶(Ti,Zr)(Ni,Cu)‑B2相基体和与基体具有共格关系的纳米(Ti,Zr)subgt;2/subgt;Ni增强相组成，该镍钛基合金成分为Tisubgt;50‑x/subgt;Zrsubgt;x/subgt;Nisubgt;50‑x/subgt;Cusubgt;x/subgt;，其中，x为10‑20。该制备方法是烧结‑非晶晶化法，以雾化法制备的非晶粉末或单辊急冷法制备的非晶条带为烧结前驱体，在(Ti,Zr)(Ni,Cu)‑B2相脱溶分解温度区间内固结成型、烧结晶化，获得具有三维尺寸的高强、优异超弹性、超细晶镍钛基合金。本发明方法所制备的超细晶镍钛基合金能够满足更高载荷，更大回弹能力的服役要求。

技术领域

本发明属于形状记忆合金加工技术领域，特别涉及一种超细晶镍钛基合金及其制备方法与应用。

背景技术

镍钛合金是形状记忆合金的典型代表，表现出优异的形状记忆效应和超弹性，具有变形回复率高、响应速度快的特点，且兼具阻尼特性和生物相容性，是一种前沿的智能功能材料，在航空航天、生物医疗、电子器械、核工业、矿业等多个领域有着极大的应用潜力。目前形状记忆合金的医学及工程应用中，约90％是利用超弹性实现功能。例如应用于生物医疗的牙齿矫形弓丝、血管支架、食道支架等；应用于航空航天领域的超弹性防松构件、超弹性均载连接件以及管接头等；应用于民用产品的超弹性镜框、女性胸衣托架、高弹高韧性钓鱼线等。镍钛合金的超弹性源于热弹性马氏体相变。在母相状态下，应力诱马氏体相变伴随着材料的宏观变形，卸载后经由自发的逆相变过程使形变回复。超弹性形变的回复程度取决于马氏体相变引起的可回复变形和位错滑移引起的不可回复变形以及稳定的残留马氏体之间的竞争。因此，获得良好超弹性的必要条件之一是提高滑移变形的临界应力，避免滑移变形的发生。常用的改善超弹性的手段是细晶强化或第二相强化。

超细晶镍钛合金具有相比于粗晶镍钛合金更高的屈服强度，更高的滑移变形抗力，从而有利于更大的超弹性回复(E.O.Hall,Proc.Phys.Soc.B 64(1951)747)。并且，随着晶粒尺寸的减小，能量耗散所导致的应力迟滞减小，能够避免功能特性的衰减，获得良好的循环稳定性(Scripta Materialia 162(2019)230–234，Appl.Phys.Lett.103(2013)021902)。当前，镍钛合金细化晶粒的主要手段包括：冷轧或拉拔工艺、高压扭转或等径角挤压等剧塑性变形工艺、磁控溅射工艺、甩带工艺(B.Kockar等，Acta Materialia 56(2008)3630–3646)。然而上述制备超细晶镍钛合金的工艺仍存在局限性：由于镍钛合金为金属间化合物，塑性变形能力有限，且加工硬化很快，因此冷压力加工难度较大，容易产生裂纹或发生断裂。且冷轧或拉拔工艺制备的材料局限于板材、丝材等一维或二维形状。剧塑性变形工艺易出现各个区域变形量不一致，晶粒尺寸不均匀，各向异性的问题，且制备成本较高。磁控溅射和甩带工艺仅能制备出薄膜/薄带材料，限制了镍钛合金的实际应用范围。

第二相强化的基础是富镍镍钛合金的缓慢的脱溶分解能够析出共格或非共格的沉淀相，给第二相的物性调控提供了机会。优化固溶以及时效热处理工艺，使基体中均匀析出纳米共格沉淀相，利用应力场对位错的钉扎作用实现基体的第二相强化，从而获得更好的超弹性性能(Acta Materialia 53(2005)4545–4554)。然而，由于镍钛合金的相变行为和变形行为对材料的冶金状态十分敏感，包括基体成分、晶粒大小以及析出相的尺寸、分布和共格关系等，且最佳时效工艺的确定强烈依赖于预先材料合金成分和预处理状态。因此，时效因素对镍钛合金性能的影响以及针对不同材料状态的最佳热处理工艺的确定较为复杂。