阅读说明：本技术 一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金 (Ta and Co Co-doped corrosion-resistant Fe-Mn-Si-Cr-Ni series shape memory alloy ) 是由 董治中 孙德山 宁保群 王志奇 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金,涉及功能材料领域。各元素重量百分比为：Mn：11％～18％；Si：3％～8％；Cr：5％～13％；Ni：3％～10％；Co：1％～11.0％；Ta：0.1％～2.0％；C:0.01％～0.5％；Fe：余量。合金中添加了Ta及Co元素,通过时效处理后,析出TaC等析出相,强化奥氏体基体进而提高形状记忆效应；并且借助Co的添加有效提高了其耐蚀性。(a Ta and Co Co-doped corrosion-resistant Fe-Mn-Si-Cr-Ni series shape memory alloy relates to the field of functional materials. The weight percentages of the elements are as follows: mn: 11 to 18 percent; si: 3% -8%; cr: 5% -13%; ni: 3% -10%; co: 1% -11.0%; ta: 0.1% -2.0%; 0.01 to 0.5 percent of C; fe: and (4) the balance. Ta and Co elements are added into the alloy, and TaC and other precipitated phases are precipitated after aging treatment, so that an austenite matrix is strengthened, and the shape memory effect is improved; and the corrosion resistance is effectively improved by adding Co.)

一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金

技术领域

本发明涉及功能材料领域，提出一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金。

背景技术

形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种新型功能材料，其具有温度感知与驱动的功能。所谓的形状记忆效应，是指某种材料变形(通常在Ms以下或Ms附近)后在一定温度保温后，能全部或部分回复到变形前的形状的现象。形状记忆合金主要包括Ni-Ti基、Cu基、铁基等，其中铁基形状记忆合金中应用较广的有Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系记忆合金，主要应用于桥梁、机械、建筑、航空等领域的管线、铆接件等方面。

在Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金中，Mn含量的变化对合金的马氏体转变温度M_S和Neel转变温度T_N有显著影响，研究表明Mn元素的含量不大于30％时形状记忆效应较好，但也不宜太低；Si能强烈降低T_N温度，通过调整Mn、Si的含量，协调M_S和T_N之间的关系，可使合金在较宽的温度范围内具有优良的形状记忆效应，添加Si元素还可促进应力诱发ε马氏体的相变。此外添加Cr元素，可以有效的提高合金的耐蚀性。但Cr元素超过7％时有σ(FeCr)相析出，所以一般添加少量的Ni来抑制σ相的析出。

Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金的形状记忆效应均是通过之间的相转变实现的。通过降低应力诱发γ→ε转变的阻力，使变形更多的由可逆性较好的γ→ε转变承担，即减少不可逆滑移变形的侵入。碳化物(氮化物)的存在能提高γ奥氏体基体的强度，碳化物作为应力诱发马氏体形核的位置，可促进应力诱发γ→ε的转变。如此，在加热过程中发生的ε→γ逆相变，外加应变得到回复，即表现出良好的记忆性能。日前有学者提出在Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金中添加V、Nb等元素，通过时效析出的VC(VN)、NbC等析出相可以有效改善合金的形状记忆效应。随后有学者在Fe-Mn-Si-Cr系合金中添加Ta元素，以析出TaC，TaC的析出大幅度增加了基体的强度，提高了合金的记忆回复率。另一方面，Fe-Mn-Si-Cr-Ni系合金，由于Cr、Ni的加入，提高了合金的耐蚀性，但是和Ni-Ti基形状记忆合金相比，其在较为苛刻的高耐蚀的工况下仍不能满足要求。Co在Fe基合金中，可有效提高合金的耐蚀性，研究表明在Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金中添加10％左右的Co，可大幅提高其耐蚀性。

一直以来Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系合金通过合金优化、机械训练等方式，大大提高了其形状记忆性能。但是如何简化生产、热处理工艺，进一步提高铁基形状记忆合金的记忆性能的同时兼具优异的耐蚀性一直是困扰学者的难题。

发明内容

本发明的目的是通过在现有的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系合金基础上，提供一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金。通过优化合金成分，改善生产工艺及时效等热处理工艺提高其形状记忆效应和耐蚀性。

本发明的技术方案

一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，其主要合金元素及其质量百分比为Mn：11％～18％；Si：3％～8％；Cr：5％～13％；Ni：3％～10％；Co：1％～11.0％；Ta：0.1％～2.0％；C:0.01％～0.5％；Fe：余量。

本发明提供的Ta、Co共掺杂的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，经过真空感应炉冶炼，经过1100℃固溶处理后，在1000℃-1200℃左右热锻，随后进行时效处理，以用于性能测试。

本发明上述合金在700-800℃的范围内进行时效处理，析出TaC强化相，可明显提高形状回复率；而且Co的添加使该合金获得极好的耐蚀性。

本发明提供了一种Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金。其中将Mn的含量，控制在14％～17％之间，Si含量控制在6％左右。与28Mn系合金相比，14Mn系合金的耐蚀性较好，但是其形状记忆效应因Mn含量较低而较差。因此，本发明中添加Ta元素，经时效可沉淀析出碳化钽(TaC)析出相。碳化钽(TaC)的析出可以强化基体，抑制位错滑移产生的塑性变形，促使变形更多的由马氏体相变来实现，提高形状回复率及回复力。TaC的析出细化γ奥氏体母相的晶粒，增加母相中的层错几率，为马氏体相变提供形核位置，促进γ→ε转变。添加少量的Ta，还可以增加ε马氏体的c/a比率，降低Ms点。此外，添加一定量的Co元素。一方面，Co作为奥氏体形成元素，Co的加入有效降低了合金的层错能，增加了合金中的层错密度，增加了ε马氏体的形核率，从而提高了合金的SME；Co元素还可调整Ms点，使Ms接近室温。另一方面，铁基合金中添加Co，可有效提高合金的耐蚀性。本发明将Ta、Co同时添加到Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金中，以期获得TaC强化基体与Co增加层错密度的协同作用，提高合金的形状记忆效应；同时添加Co有效提高合金的耐蚀性。

附图说明

图1采用弯曲法测试的实例2合金的形状回复率

具体实施方式

下面结合具体实施案例进一步说明本发明的技术方案。值得注意的是，这里给出的实施案例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员在对本发明的理解的基础上对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

本实施案例的Ta、Co共掺杂的耐蚀Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，各元素的化学成分及其质量百分比为:Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-6Co-0.5(TaC)。

将该合金在700℃时效2小时。利用弯曲法测合金的记忆性能。将试样用线切割机切割成的3mm×0.7mm×50mm条片状试样用来测记忆性能，采用弯曲实验法测量形状记忆效应。具体步骤为：将经过一定工艺热处理后的平直试样围绕直径为d的圆柱弯曲180°，卸载后取出试样，即发生弹性部分回复，测量弹性回复角θe；然后将试样加热到一定温度并保温5min，此时由于合金形状记忆效应，试样形状明显发生回复，冷却后测量记忆回复角θm。形状记忆回复率根据以下公式计算：

η＝θm/(180-θe)×100％

式中：η为形状回复率；θm为回复退火前的角度差；θe为弯曲变形卸载前后的角度差。

为了考察合金的耐腐蚀能力，将时效处理过的试样切割成合适大小的腐蚀试样(4.5×60×120mm)，在模拟海水中浸泡。通过失重法来测试合金的腐蚀速率。结果表明，Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-6Co-0.5(TaC)(质量百分比％)形状记忆合金，其腐蚀速率为0.0017g/m²·h。

实施例2：

本实施例的Ta、Co共掺杂的耐蚀的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，各元素的化学成分及其质量百分比为:Fe-16Mn-5Si-9Cr-5Ni-9Co-1.0(TaC)。

形状记忆性能测试方法如案例1中所述。经采用弯曲法测试，所得记忆合金的形状回复率如附图1所示。

为了考察合金的耐腐蚀能力，将时效处理过的试样切割成合适大小的腐蚀试样(4.5×60×120mm)，在模拟海水中浸泡。通过失重法来测试合金的腐蚀速率。结果表明，Fe-16Mn-5Si-9Cr-5Ni-9Co-1.0(TaC)(质量百分比％)形状记忆合金，其腐蚀速率为0.0015g/m²·h。

实施例3：

本实施例的Ta、Co共掺杂的高耐蚀的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，各元素的化学成分及其质量百分比为：Fe-17Mn-5Si-9Cr-5Ni-11Co-1.5(TaC)。

形状记忆性能测试方法如案例1中所述。

为了考察合金的耐腐蚀能力，将时效处理过的试样切割成合适大小的腐蚀试样(4.5×60×120mm)，在模拟海水中浸泡。通过失重法来测试合金的腐蚀速率。结果表明，Fe-17Mn-5Si-9Cr-5Ni-11Co-1.5(TaC)(质量百分比％)形状记忆合金，其腐蚀速率为0.0012g/m²·h。

表1为实施例1-3的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金的形状回复率及腐蚀速率：

表1