專利名稱：一種高強度高阻尼的Ti₃Sn/TiNi記憶合金復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種記憶合金復合材料，尤其涉及一種高強度高阻尼的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，屬于金屬復合材料領域。
背景技術：
隨著現代工業和運輸業的發展，由振動引起的噪音污染逐漸成為嚴重的環境問題之一。在日常生活中，這類振動和噪聲會給人們的生活和工作帶來影響，危害人體的健康， 使人疲倦、耳鳴，嚴重者甚至喪失工作能力。在工程中，振動和噪聲帶來的寬頻帶隨機激振會引起結構的多共振峰響應，還會直接影響電子器件、儀器和儀表的正常工作，嚴重時造成災難性后果。在軍事中，由于武器裝備和飛行器的發展日趨高速化和大功率化，各種飛行器在飛行過程中受到發動機和高速氣流的激勵，所產生的振動和諧動響應而產生的結構疲勞是十分嚴重的。采用高阻尼材料進行減振降噪是解決上述問題十分有效的手段。為了減少各種災害所帶來的影響，對阻尼技術的研究已經成為迫切需要進行的研究。目前，功能性阻尼材料已經在尖端武器裝備、航天飛行器、航海、民用建筑、環境保護等方面得到廣泛應用。但高阻尼材料往往強度較低，嚴重限制了其作為工程結構件的使用，人們一直希望得到一種具備較高強度的新型阻尼材料。因此，尋找一種具有高強度、高阻尼的材料來滿足高載荷振動工作環境的要求是本領域亟待解決的問題之一。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種新型的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，通過控制Ti、Sn和Ni三種元素的比例，進而控制Ti3Sn和TiNi兩相的體積比，從而獲得既具有較高的強度，又具有較高的阻尼(低頻內耗和高頻聲衰減)的記憶合金復合材料。本發明的目的還在于提供上述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的制備方法，通過鑄態原位自生的方法將兩相高阻尼材料復合到一起。為達到上述目的，本發明首先提供了一種Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其包括 Ti元素、Sn元素和Ni元素，三者的原子比為(0. 2h+y) 0. 25x (100-y-0.切)，其中，χ =16-84，y = 45. 333-53. 818。本發明提供的上述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料是由Ti3Sn和TiNi兩相高阻尼材料組成的，該復合材料呈現出具有高阻尼特性的同時還具有高強度的特點。通過控制三種元素的比例，可以控制Ti3Sn和TiNi兩相的體積比，由此可以控制復合材料的強度。當χ =32時，該Ti3Sn/TiM記憶合金復合材料為共晶型復合材料。此時的共晶型復合材料中， Ti3Sn相和TiNi相的體積比約為4 6，復合材料的強度最高。當χ > 32時，該Ti3Sn/TiNi 記憶合金復合材料為過共晶型復合材料；當χ < 32時，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料為亞共晶復合材料。當復合材料為過共晶型復合材料和亞共晶型復合材料時，復合材料的強度相對共晶型復合材料要低一些。本發明提供的新型Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料由Ti3Sn和TiNi兩相組成，Ti3Sn 相中可以含有少量的Ni，TiNi相中可以含有少量的Sn。在本發明的具體技術方案中，Ti3Sn/ TiNi記憶合金復合材料是以Ti、Ni、Sn金屬單質為原料通過熔煉制備的，在熔煉過程中， Ti3Sn相會以原位自生的方式形成于TiNi基體中，兩相界面結合良好，具有很高的界面結合強度。根據本發明的具體技術方案，可以通過調整Sn元素的含量來控制記憶合金復合材料中Ti3Sn相的體積百分數，從而調整復合材料的強度和阻尼特性，優選地，Sn的原子百分含量(以Ti、Sn和Ni元素的總原子百分含量計)控制在4-21%之間。當Sn的原子百分含量為8%時，復合材料中Ti3Sn相的體積分數為40% (即Ti3Sn相和TiNi相的體積比約為4 6)，此時復合材料的強度最高。根據本發明提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料中，除去按照原子比為1 3形成Ti3Sn相所需的Sn元素和Ti元素之外，剩余的Ti元素和Ni元素形成TiNi相，優選地， TiNi相中Ti元素和Ni元素的原子比控制為(0. 8-1. 2) 1。通過控制TiNi相中的Ti和 Ni的原子比，可以避免Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料中產生Ti2Ni、Ni3Ti等脆性相，從而使復合材料具有較高的冷變形加工能力。根據本發明的具體技術方案，優選地，以該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的總原子百分比計，本發明提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料還含有l-3at%的狗元素，狗元素的量計入Ni元素的原子比中，即在此種情況下，計算Ti元素、Sn元素和Ni元素的比例時，狗元素直接折算成Ni元素計入，Ti元素、Sn元素以及Ni元素與狗元素之和的原子比為(0. 25x+y) 0. 25x (lOO-y-O. 5x)，其中，χ = 16-84，y = 45. 333-53. 818。Fe 可以直接取代復合材料中的Ni。！^e的摻入可以有效地把TiNi的馬氏體相變溫度控制在室溫以下，從而實現對于該記憶合金復合材料中TiNi相的相變溫度的控制，調整高阻尼使用的溫度范圍，使得本發明的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料具有綜合優異性能。根據本發明具體技術方案，Ti3SnAiNi記憶合金復合材料可以是不同的形態，可以是直接澆鑄成型的鑄錠，也可以是鑄錠經過進一步塑性加工的方法加工得到的型材，例如板材等。本發明還提供了上述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的制備方法，其包括以下步驟按所述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料中Ti元素、Sn元素和Ni元素的原子比選取純度在99wt. %以上的單質鈦、錫、鎳；將單質鈦、錫、鎳放入真空度高于10-1 或惰性氣體保護的熔煉爐中，熔煉成所述 Ti3SnAiNi記憶合金復合材料；當Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料含有！^元素時，可以以單質鐵的形式加入，并且，可以將純度在99wt. %以上的單質鐵與單質鈦、單質錫、單質鎳一起放入熔煉爐中。根據本發明的具體技術方案，優選地，上述制備方法還包括以下步驟將熔煉得到的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料澆鑄成鑄錠。熔煉后澆鑄得到的鑄錠可以進一步進行加工得到具有一定外形尺寸的型材。根據本發明的具體技術方案，優選地，上述制備方法還包括以下步驟在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護中對鑄錠進行均勻化退火；將退火后的鑄錠進行冷軋和再結晶退火，得到板材。對鑄錠進行均勻化退火可以改善鑄錠組織狀態并利于后續加工，其中，均勻化退火的溫度可以控制為800-1050°C，優選為950°C ；退火時間可以控制為5_60h，優選為10h。本發明所提供的上述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料存在明顯的可逆馬氏體相變，同時，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料中的TiNi相中有大量的孿晶界面、馬氏體與母相間界面及TiM與Ti3Sn相間界面，Ti3Sn相中存在大量的孿晶界面，因此，本發明所提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料具有很好的阻尼特性，這種阻尼特性不僅在低頻范圍內存在，而且在高頻(兆赫茲)范圍之內也存在。此外，Ti3Sn相和TiNi相通過原位共晶復合得到超細組織，因此，本發明所提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料具有高的強度。本發明提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料經過冷軋、多次退火，可以得到復合材料板材。本發明提供的記憶合金復合材料具有高阻尼和高強度的特性，并且阻尼和強度可以通過調整兩相的相對含量來調節，阻尼性能優于美國開發的商業化阻尼合金Ti78Sn22, 強度和塑性優于 2003 年 nature material (G. He, J. Eckert, W. Loser, L Schultz. Novel Ti—base nanostructure—dendrite composite with enhanced plasticity. Nat. Mater. 2003,2,33.)報道的樹枝晶增塑納米晶的強度和塑性。并且，本發明所提供的Ti3Sn/ TiNi記憶合金復合材料的阻尼可以隨著溫度的降低而升高，呈現低溫高阻尼特性，DMA曲線如圖5和圖6所示。其次，本發明提供的Ti3Sn/TiM記憶合金復合材料具有高頻聲衰減特性，其衰減系數比馬氏體狀態下記憶合金以及普通碳鋼大，衰減系數隨頻率變化的關系曲線如圖7所示。純Ti3Sn的塑性不超過4%，而本發明提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的壓縮塑性能達到33. 4%，壓縮斷裂強度能達到3GPa，同時呈現不明顯屈服和高應變強化特性，壓縮曲線如圖8和圖9所示。綜上所述，本發明提供的記憶合金復合材料具有高強度、高塑性、高應變強化、不明顯屈服、高阻尼(低頻內耗和高頻聲衰減)等獨特的功能特性。經DSC測試，本發明提供的記憶合金復合材料存在明顯的可逆馬氏體相變。冷軋后的樣品，經熱膨脹測試，本發明提供的記憶合金復合材料存在明顯的形狀記憶效應。另外，本發明所提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的塑性和韌性也較好，塑性加工得到的板材的厚度可以達到0. 8mm以下，可以滿足不同領域對記憶合金復合材料的需求。


圖1是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料經過均勻化退火后的掃描電鏡照片。圖2是實施例2提供的Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料經過均勻化退火后的掃描電鏡照片。圖3是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8和實施例2提供的Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料均勻化退火后的XRD譜線。圖4是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料經過冷軋以后的掃描電鏡照片。圖5是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料的DMA曲線。圖6是實施例2提供的Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料的DMA曲線。圖7是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8和實施例2提供的Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料的超聲衰減系數隨頻率變化的關系曲線。圖8是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料的室溫壓縮工程應力-應變曲線。圖9是實施例1提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料的室溫循環壓縮應力-應變關系曲線。圖10是實施例2提供的Ti69Ni11Sn^1記憶合金復合材料的室溫壓縮工程應力-應變曲線。
具體實施例方式為了對本發明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施范圍的限定。本發明提供的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的制備方法可以包括以下具體步驟(1)、按Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料成分配比選取純度在99wt. %以上(優選為99. 9wt. % )的錫、純度在99wt. %以上(優選為99. 9wt. % )的鈦、純度在99wt. %以上 (優選為99. 9wt. % )的鎳；O)、將上述復合材料成分放入熔煉爐中，熔煉得到Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，并將其澆鑄成鑄錠；(3)、在真空爐內，在800-1050°C (優選為950°C )下對鑄錠進行5_60h(優選為 IOh)的均勻化退火；(4)、將退火后的鑄錠進行冷軋，中間經800-1050°C (優選為950°C )多次退火，得到板材。實施例ITi57Ni35Sn8記憶合金復合材料本實施例提供了一種Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料，其是通過以下步驟制備得到的(1)、按Sn含量8at. %，Ti和Ni原子比57 ；35的配比選取純度為99. 9wt. %的錫、純度為99. 9wt. %的鈦和純度為99. 9wt. %的鎳，其中，Sn、Ti和Ni的原子百分數之和為 100% ；(2)、將上述合金組分放入真空熔煉爐中，在-0. 5MPa的氬氣保護下熔煉成鑄錠；(3)、在真空爐內，將熔煉好的鑄錠在950°C下進行IOh的均勻化退火；(4)、將退火后的鑄錠進行冷軋，中間經950°C多次退火，得到板材，即Ti57Ni35Sn8 記憶合金復合材料。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下2mm厚、20mm長、IOmm寬的片，用掃描電鏡觀察其顯微組織，其微觀組織如圖1所示，該復合材料為典型的共晶組織，其中白色為Ti3Sn相，黑色為TiNi相。
用X射線衍射儀測定本實施例提供的Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料的相組成和結構，XRD譜線如圖3所示，由圖3可以得出復合材料是由Ti3Sn和TiNi兩相組成，其中TiNi 母相(B2)和馬氏體相(B19，)共存。利用掃描電鏡觀察步驟( 得到的冷軋樣品的顯微組織，其顯微組織如圖4所示， 其中，白色為Ti3Sn相，黑色為TiNi相，晶粒沿軋制方向拉長。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下Imm厚、40mm長、2mm寬的長條，用DMA Q800測量其阻尼特性，DMA曲線如圖5所示，由圖5可以看出，本實施例提供的 Ti57Ni35Sn8記憶合金復合材料呈現高阻尼特性，阻尼峰由TiNi相的可逆馬氏體相變貢獻。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下直徑為20mm、高度為30mm，用超聲波探頭測量其超聲衰減特性，聲衰減系數隨著頻率變化的關系曲線如圖7所示，結果表明，復合材料的聲衰減系數較大，優于純TiNi記憶合金和普通的45#鋼。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下直徑為5mm、高度為IOmm的圓柱，在MTS810材料測試試驗機上進行壓縮測試，復合材料的斷裂強度達3. OGPa，壓縮塑性為33. 4%，均高于2003年nature material上報道的樹枝晶增塑納米晶的強度和塑性，壓縮曲線如圖8和圖9所示，共晶復合材料呈現高強度、高塑性、高應變強化、不明顯屈服等特性，其強度是目前可見報道的鈦合金和鈦基非晶中最高的。實施例ZTi69Ni11Sn^1記憶合金復合材料本實施例提供了一種Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料，其是通過以下步驟制備的(1)、按Sn含量20at. %，Ti和Ni原子比69 11的配比選取純度為99. 9wt. % 的錫、純度為99. 9wt. %的鈦和純度為99. 9wt. %的鎳，其中，Sn、Ti和Ni的原子百分數之和為100% ；(2)、將上述合金組分放入熔煉爐中，在-0. 5MPa的氬氣保護下熔煉并澆鑄成鑄錠；(3)、在真空爐內，將鑄錠在950°C下進行IOh的均勻化退火，得到Ti69Ni11Sn2tl記憶合金復合材料。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下2mm厚、20mm長、IOmm寬的片，用掃描電鏡觀察其顯微組織，其微觀組織如圖2所示，復合材料由白色初生相Ti3Sn和其間的共晶組織組成；用X射線衍射儀測定其組成和結構，其相組成如圖3所示，復合材料由Ti3Sn 和TiNi兩相組成，其中TiNi為母相(B2)狀態。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下Imm厚、40mm長、2mm寬的長條，用DMAQ800測量其阻尼特性，DMA曲線如圖6所示， 復合材料呈現高阻尼特性，其阻尼性能優于美國商業化阻尼合金Ti78Sn22。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下直徑為20mm、高度為30mm，用超聲波探頭測量其超聲衰減特性，聲衰減系數隨著頻率變化的關系曲線如圖7所示，結果表明，該復合材料的聲衰減系數最大，優于共晶復合材料、純TiNi記憶合金和普通的45#鋼。從步驟(3)中得到的均勻化退火后的鑄錠上切下直徑為5mm、高度為IOmm的圓柱，在MTS810材料測試試驗機上進行壓縮測試，壓縮曲線如圖10所示，該復合材料的強度低于共晶復合材料，但是高于美國商業化阻尼合金Ti78Sn22,同時也呈現較高的加工硬化和不明顯屈服現象。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其包括Ti元素、Sn元素和Ni元素，三者的原子比為(0. 25x+y) 0. 25x (100-y-0. 5x)，其中，χ = 16-84，y = 45. 333-53. 818。
2.根據權利要求1所述的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其中，當χ= 32時，該Ti3Sn/ TiNi記憶合金復合材料為共晶型復合材料；當χ > 32時，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料為過共晶型復合材料；當χ < 32時，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料為亞共晶復合材料。
3.根據權利要求1所述的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其中，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料由Ti3Sn相和TiNi相組成，并且，所述TiNi相中Ti元素和Ni元素的原子比為 (0.8-1.2) 1。
4.根據權利要求1所述的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其中，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料還含有l_3at %的!^e元素，并且，所述!^e元素的量計入所述Ni元素的原子比中。
5.根據權利要求1所述的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料，其中，該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料為鑄錠或板材。
6.權利要求1-5任一項所述的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的制備方法，其包括以下步驟按所述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料中Ti元素、Sn元素和Ni元素的原子比選取純度在99wt. %以上的單質鈦、單質錫和單質鎳；將單質鈦、單質錫和單質鎳放入真空度高于10-1 或惰性氣體保護的熔煉爐中，熔煉成所述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料；當所述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料含有！^元素時，將純度在99wt. %以上的單質鐵與單質鈦、單質錫、單質鎳一起放入熔煉爐中。
7.如權利要求6所述的制備方法，其中，該制備方法還包括以下步驟將熔煉得到的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料澆鑄成鑄錠。
8.如權利要求7所述的制備方法，其中，該制備方法還包括以下步驟在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護中對鑄錠進行均勻化退火；將退火后的鑄錠進行冷軋和再結晶退火，得到板材。
9.根據權利要求7或8所述的制備方法，其中，所述均勻化退火的溫度為800-1050°C， 時間為5-60h。
10.根據權利要求9所述的制備方法，其中，所述均勻化退火的溫度為950°C，時間為10h。
全文摘要
本發明涉及一種新型高強度高阻尼的Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料。該Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料包括Ti元素、Sn元素和Ni元素，三者的原子比為(0.25x+y)∶0.25x∶(100-y-0.5x)，其中，x＝16-84，y＝45.333-53.818。本發明提供的記憶合金復合材料具有高強度、高塑性、高應變強化、不明顯屈服、低頻內耗、高頻聲衰減等獨特的功能特性。本發明還提供了上述Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的制備方法。該制備方法包括以下步驟按Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料的成分配比選取純度在99wt.％以上的單質錫、鈦、鎳；將單質錫、鈦、鎳放入真空度高于10-1Pa或惰性氣體保護的熔煉爐中，熔煉成Ti3Sn/TiNi記憶合金復合材料。
文檔編號C22F1/18GK102358925SQ201110257419
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者姜大強, 崔立山, 張俊松, 杜敏疏, 王珊, 鄭雁軍 申請人:中國石油大學(北京)