專利名稱：一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種金屬塑性成形領域的金屬成形方法。
背景技術：
鎳鈦形狀記憶合金因為具有良好的形狀記憶效應和超彈性，已經在工程領域得到了廣泛的應用。鎳鈦形狀記憶合金的塑性成形是制造鎳鈦形狀記憶合金線材、棒材、管材、 帶材和板材必不可少的手段，而塑性成形對鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性等力學性能具有重要的影響。尤其是鎳鈦形狀記憶合金的冷塑性成形，隨著變形程度的不同， 可能導致高密度孿晶、位錯亞結構、納米晶和非晶的產生，這將會抑制馬氏體相變而影響鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶效應，但經過后續一定熱處理之后，納米晶化的鎳鈦形狀記憶合金在保留一定的形狀記憶效應之后，會表現出良好的超彈性和較高的力學性能。因此，近幾年來，國內外許多學者開始致力于鎳鈦形狀記憶合金冷變形條件下的大塑性變形(SPD) 技術，實現鎳鈦形狀記憶合金的納米晶化和非晶化，主要有高壓扭轉(HPT)、冷軋和冷拔。

發明內容
本發明的目的在于提供不需要專有設備、成本較低的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法。本發明的目的是這樣實現的本發明一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是(1)將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40% 60%的金屬包套中，并使鎳鈦形狀記憶合金上下兩端露出金屬包套的部分高度相等，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；(2)將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機上的上下砧之間，然后進行壓縮變形，在壓縮變形初期，包套未與上下砧接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金發生壓縮變形，鎳鈦形狀記憶合金處于三向壓應力狀態，當鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達 70%以上時，鎳鈦形狀記憶合金發生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金；(3)將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下， 實現料套的分離。本發明還可以包括1、在壓縮變形時，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為40% 60%，在金屬包套發生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用沖模將鎳鈦形狀記憶合金從包套金屬中分離出，進行圓度平整之后，再次進行局部包套，并重復進行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度。
2、壓縮變形時以不小于0. 05秒-1的應變速率進行壓縮變形。本發明的優勢在于1.該方法只需簡單的模具在普通的液壓機上即可制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，不需要專有設備，成本較低。2.在包套壓縮過程中，鎳鈦形狀記憶合金始終處于三向壓應力的狀態，可以顯著提高鎳鈦形狀記憶合金的塑性，實現鎳鈦形狀記憶合金較大的冷塑性變形。3.該方法采用局部包套壓縮的形式，在保證金屬包套不發生軸向壓縮塑性變形的條件下，可以重復進行包套壓縮，只需較小噸位的設備，實現鎳鈦形狀記憶合金的大塑性變形，制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金大塊體材料。4.將實際生產中較大的鎳鈦形狀記憶合金包套試樣，縮小一定的比例，在 INSTR0N萬能材料力學性能試驗機上進行壓縮試驗，可以有效地分析金屬流動規律、計算變形力，極大地節約生產成本。5.對于局部包套壓縮制備得到的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過普通的熱處理便可以實現非晶鎳鈦形狀記憶合金的納米晶化。


圖1為本發明的鎳鈦形狀記憶合金局部包套壓縮基本原理圖；圖2為鎳鈦形狀記憶合金重復局部包套壓縮示意圖，圖加第一次包套后試樣；圖 2b第一次壓縮后；圖2c第一次分離后；圖2d第二次包套后試樣；圖2e第二次壓縮后；圖 2f第二次分離后；圖3為局部包套壓縮制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金實施例圖，圖3a為壓縮前，圖北壓縮后；圖4為局部包套壓縮制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的TEM圖，圖如為明場像，圖4b選區電子衍射；圖5為經過熱處理晶化后的納米晶鎳鈦形狀記憶合金的TEM圖，圖fe為明場像， 圖恥選區電子衍射。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1 5，本發明提出的采用局部包套壓縮形式實現鎳鈦形狀記憶合金的大塑性變形，來制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的基本原理如圖1所示。將鎳鈦形狀記憶合金2置于金屬包套3中，通過選擇高塑性、低強度的包套金屬材料，并使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金之間進行良好地潤滑，及有效地控制金屬包套 3在壓縮變形過程中的尺寸，使鎳鈦形狀記憶合金2處于較強的三向壓應力狀態，從而提高鎳鈦形狀記憶合金2的塑性。對于尺寸較小的鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，可以通過一次性壓縮，包套參與塑性變形，來實現鎳鈦形狀記憶合金2的大塑性變形，制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合
^^ ο為節省設備壓力，對于尺寸較大的鎳鈦形狀記憶合金塊體材料，可以通過重復包套壓縮實現鎳鈦形狀記憶合金2的大塑性變形，每次壓縮變形都是在包套金屬3發生軸向壓縮變形前即停止，即包套金屬3的軸向不發生壓縮變形，只會因鎳鈦形狀記憶合金2的鐓粗變形迫使其在徑向和切向發生塑性變形，這樣，上下砧板1和4只會與鎳鈦形狀記憶合金 2的端面發生接觸，從而使得變形的投影面積大大減小，節省了很多壓力，該過程的基本原理如圖2所示。具體過程為將局部包套的鎳鈦形狀記憶合金放在上下砧板間進行壓縮， 使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金2的上下端面處于良好的潤滑狀態，當鎳鈦形狀記憶合金2完全壓入金屬包套3之后，第一次包套壓縮停止；然后通過機械壓力手段取出，進行圓度平整之后，再次進行局部包套，并重復進行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度，實現鎳鈦形狀記憶合金的完全非晶/納米晶化。最后對制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過合適的熱處理來制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。本發明的具體實施過程分為三個階段準備階段、壓縮變形階段和料套分離階段。準備階段將鎳鈦形狀記憶合金2加工成具有一定直徑和高度的圓柱，然后以過盈配合的方式裝配到具有一定外徑、高度為鎳鈦形狀記憶合金2高度50 %的金屬包套3中， 并使鎳鈦形狀記憶合金2上下兩端露出金屬包套3的部分高度相等，這里所選擇的包套金屬材料應具有高塑性、低強度的特點。然后將鎳鈦形狀記憶合金2的兩端涂上石墨以便壓縮時有良好的潤滑。壓縮變形階段將準備好的材料放在固定在壓力機上的上下砧1和4之間，然后以較快的應變速率(一般為0. 05以上)進行壓縮變形。在壓縮變形初期，由于包套3未與上下砧1和4接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金2發生壓縮變形，這樣緊包在外面的金屬包套3便會使鎳鈦形狀記憶合金2處于較強的三向壓應力狀態，從而顯著提高鎳鈦形狀記憶合金2 的塑性。當鎳鈦形狀記憶合金2的壓縮變形程度達70%以上時，便可使心部金屬因劇烈的塑性變形而發生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金。料套分離階段將發生劇烈變形后的材料放在簡易沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金2從金屬包套3中沖下便可實現料套的分離。當制備尺寸較大的鎳鈦形狀記憶合金塊體非晶/納米晶材料時，可按下列步驟進行。將局部包套的鎳鈦形狀記憶合金放在上下砧板間進行壓縮，使上下砧板1和4與鎳鈦形狀記憶合金2的上下端面處于良好的潤滑狀態，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為50%，即在金屬包套發生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用簡易沖模將鎳鈦形狀記憶合金2從包套金屬3中分離出，進行圓度平整之后，再次進行局部包套，并重復進行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度(一般累積變形程度為70%以上)，實現鎳鈦形狀記憶合金的完全非晶/納米晶化。最后對制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金，通過合適的熱處理來制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。以過盈配合的方式，將直徑為4、高度為6的鎳鈦形狀記憶合金圓柱試樣裝入外徑為10、高度為3的低碳鋼金屬套中，在室溫下放在INSTR0N機上進行一次性壓縮變形，變形程度為75%，如圖4所示，在透射電鏡(TEM)下觀察表明，鎳鈦形狀記憶合金已經發生了完全的非晶化/納米晶化，如圖5所示。將包套壓縮大塑性變形制備的非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金在300°C保溫2個小時，便可以實現非晶鎳鈦形狀記憶合金的晶化，制備完全的納米晶鎳鈦形狀記憶合金。
權利要求
1.一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是(1)將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40 % 60 %的金屬包套中，并使鎳鈦形狀記憶合金上下兩端露出金屬包套的部分高度相等，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；(2)將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機上的上下砧之間，然后進行壓縮變形，在壓縮變形初期，包套未與上下砧接觸，只有鎳鈦形狀記憶合金發生壓縮變形，鎳鈦形狀記憶合金處于三向壓應力狀態，當鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達70% 以上時，鎳鈦形狀記憶合金發生非晶或納米晶化，從而制備出非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金；(3)將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下，實現料套的分離。
2.根據權利要求1所述的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是在壓縮變形時，先將鎳鈦形狀記憶合金壓縮到變形程度為40% 60 %，在金屬包套發生軸向壓縮變形前停止壓縮，然后采用沖模將鎳鈦形狀記憶合金從包套金屬中分離出，進行圓度平整之后，再次進行局部包套，并重復進行上述壓縮變形，直到獲得所需要的變形程度。
3.根據權利要求1或2所述的一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，其特征是壓縮變形時以不小于0. 05秒―1的應變速率進行壓縮變形。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種局部包套大塑性變形制備非晶/納米晶鎳鈦形狀記憶合金的方法，包括以下步驟將鎳鈦形狀記憶合金加工成圓柱形狀，以過盈配合的方式裝配到高度為鎳鈦形狀記憶合金高度40％～60％的金屬包套中，然后將鎳鈦形狀記憶合金的兩端涂上石墨；將裝配好的鎳鈦形狀記憶合金和金屬包套固定在壓力機上的上下砧之間，然后進行壓縮變形，當鎳鈦形狀記憶合金的壓縮變形程度達70％以上時，鎳鈦形狀記憶合金發生非晶或納米晶化，將制備好的材料放在沖模上，用沖頭將鎳鈦形狀記憶合金從金屬包套中沖下，實現料套的分離。本發明不需要專有設備，成本較低，可以顯著提高鎳鈦形狀記憶合金的塑性，實現鎳鈦形狀記憶合金較大的冷塑性變形。
文檔編號C22C45/04GK102383080SQ20111034741
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者唐明, 張艷秋, 江樹勇, 胡勵, 趙立紅 申請人:哈爾濱工程大學