阅读说明：本技术 一种Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金及其制备方法 (Fe-Ni-Co-Al-Dy super-elastic alloy and preparation method thereof ) 是由 张中武 李振鑫 张洋 杜康 董凯 黄涛 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金及其制备方法,该超弹性合金的表达式为Fe-(a)Ni-(b)Co-(c)Al-(d)Dy-(e),其中a,b,c,d,e分别表示各对应元素的原子个数百分比(at.％),a＝35～60,b＝18～38,c＝7～25,d＝5～18,e＝0.01～10,a+b+c+d+e＝100。该合金的制备方法中包括熔炼、轧制、固溶和时效处理。本发明的超弹性合金通过添加稀土元素、控制热处理方式和时间来调控析出相的大小和体积分数。析出相可以使基体母相有序,还可以钉扎位错,抑制合金的塑性变形,从而获得优良的超弹性。本发明的超弹性合金强度超过1300MPa,可回复应变量为1.1％。(The invention discloses a Fe-Ni-Co-Al-Dy super-elastic alloy and a preparation method thereof, wherein the expression of the super-elastic alloy is Fe a Ni b Co c Al d Dy e Wherein a, b, c, d and e respectively represent atoms of each corresponding elementThe number percentage (at.%), a is 35-60, b is 18-38, c is 7-25, d is 5-18, e is 0.01-10, a + b + c + d + e is 100. The preparation method of the alloy comprises smelting, rolling, solid solution and aging treatment. The super-elastic alloy of the invention regulates and controls the size and volume fraction of precipitated phases by adding rare earth elements and controlling the heat treatment mode and time. The precipitated phase can make the matrix parent phase ordered, and can pin dislocation, inhibit the plastic deformation of the alloy, thereby obtaining excellent superelasticity. The super-elastic alloy has the strength of over 1300MPa and the recoverable strain of 1.1 percent.)

一种Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金及其制备方法，属于超弹性合金材料技术领域。

背景技术

超弹性合金可以在应力加载和卸载的过程中表现出可逆大应变、非线性等规律。超弹性是指合金在应力作用下发生有限塑性变形(非线性弹性变形)后，应力可以直接释放，使合金恢复到原来形状的现象。在超弹性合金几十年的发展过程中，根据其成分分类，超弹性合金可分为Ni-Ti基超弹性合金、Cu基超弹性合金以及Fe基超弹性合金。NiTi基超弹性合金目前应用最为广泛，因为其具有超弹性应变可高达8％、力学性能良好、耐腐蚀性能强以及具有良好的生物相容性等优点，但也存在材料成本高且加工困难等缺点。Cu基超弹性合金的电阻率较小，比NiTi基合金大约小一个数量级，不适用于通电升温的场合，而且其力学性能较差且对温度变化敏感，限制了其应用。Fe基超弹性合金具有价格低廉、塑性好、强度高、易加工、可焊接等优点，使其可作为NiTi基超弹性合金的替代品，已成为目前研究的热点。然而，Fe基超弹性合金发生的马氏体相变几乎都是非热弹性，并没有表现出明显的超弹性。 Fe-Ni-Co-Al系超弹性合金相变热滞大，且母相是无序的，不易发生热弹性马氏体转变，通过时效强化，析出L1₂相，使母相变为有序的，提高马氏体相与母相的共格程度，使马氏体相变从非热弹性转变为热弹性，从而获得超弹性。

2007年，李永清等研究了稀土Tb掺杂对形状记忆合金Ni-Mn-Ga的相变和性能的影响。发现Tb不会与Ni-Mn-Ga形成固溶体。在加入Tb元素后会导致合金马氏体相变点略有升高，综合力学性能得到显著提高。2020年，张明等人选取了Nd、Sm、Y和La四种稀土元素添加到Cu-Al-Ni形状记忆合金中。在加入稀土元素后，晶粒得到明显的细化，且四种稀土元素的添加都降低了合金的相转变温度。同时由于添加稀土元素会有细晶强化和第二相强化的作用，合金的力学性明显提高。然而，稀土元素对合金超弹性能的影响却未见报道。因此，本发明选取稀土元素Dy添加，研究其对显微结构演化和超弹性能的影响。

2010年，Tanaka等报道出Fe-28Ni-17Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B(at％)合金可以使非热弹性马氏体相变转变为热弹性马氏体相变，同时具有高超弹性应变、高硬度、高强度和良好的冷加工性能，其最大可回复应变高达13.5％。2015年，Tanaka等归纳了FeNiCoAlTaB合金的设计依据，并给出了最优的合金成分设计比例。公开号CN 103509988 A的发明专利涉及一种具有超弹性的多晶Fe-Ni-Co-Al-Nb-B形状记忆合金及其制备方法。其合金的原子百分含量分别为：Fe 30-50％，Ni2 8-40％，Co 10-30％，Al 8-15％，Nb 1-4％和B 0.1-3％。该专利发明得到的形状记忆合金的可回复应变量显著提高，最大的可回复应变量可达10.5％，体现出了优良的超弹性。本发明在Fe-Ni-Co-Al系超弹性合金中创新的添加稀土元素钉扎位错，抑制位错的滑移，从而在适当的热处理工艺下获得大的可回复应变，进而在合金加载过程当中通过应力诱发马氏体相变实现超弹性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提出一种超弹性优良的Fe基超弹性合金的成分设计。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提出一种超弹性优良的Fe基超弹性合金的制备方法。

为了解决第一个技术问题，本发明提出一种超弹性优良的Fe基超弹性合金，成分为 Fe_aNi_bCo_cAl_dDy_e，其中a,b,c,d,e分别表示各对应元素的原子个数百分比(at.％)，且满足以下条件：a＝35～60，b＝18～38，c＝7～25，d＝5～18，e＝0.01～2，a+b+c+d+e＝100。

为了解决第二个技术问题，本发明提出了一种制备上述Fe基超弹性合金的方法，该制备方法包括熔炼、轧制、固溶和时效处理工艺。

上述Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金的制备方法，其特征在于该方法包含一下制备工艺：

(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比选取工业上使用的金属铁颗粒、金属镍颗粒、金属钴块、金属铝颗粒、金属镝颗粒进行配料，然后在真空或氩气等惰性气体保护中进行熔炼。熔炼过程当中需要将金属溶液充分混合以保证成分足够均匀。

(2)将铸件加热到1100～1300℃保温1～3h使铸件均匀化，消除偏析，然后在 1100～1300℃下进行0％～60％小变形量的热轧，待水冷至室温后进行≥85％大变形量的冷轧。

(3)轧制后的材料在1000～1300℃下固溶处理0～5h,待水冷到室温后再在400～700℃时效处理1～120h。

有益效果：本发明对各合金元素进行了合理的成分配比，使合金母相具有面心立方结构，促使合金母相中析出沉淀析出相，析出相可以使基体母相变为有序，利于产生热弹性马氏体相变，还能有效的钉扎位错，抑制位错滑移。通过控制轧制过程获得强织构来增加合金的强度和超弹性。通过调控固溶和时效处理来提高奥氏体母相的强度，增加析出相的含量，降低应力诱发马氏体相变的临界应力，从而得到具有超弹性和高强度、高硬度的Fe基超弹性合金。

附图说明

图1是本发明的Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金时效24h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；

图2是发明的Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金时效24h后的Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金显微组织。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属镝，按照原子百分比含量Fe 43.45％、Ni 28％、Co 17％、Al 11.5％、Dy 0.05％进行配料，采用真空电弧熔炼炉在氩气保护下进行熔炼，熔炼过程中使用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀，熔炼过程中将合金反复熔炼4次，最后进行吸铸成柱状件。将铸件在热处理中1200℃均匀化2h，在1200℃下从20mm热轧至12mm。将热轧后的试样水冷至室温，在室温下从12mm冷轧至1mm，然后在600℃下时效24h。

本实例中制得的多晶Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金在室温下加载-卸载所得的应力-应变曲线见附图1。从附图1所示的应力-应变曲线当中可以看出，该成分的多晶Fe-Ni-Co-Al-Dy 超弹性合金在室温下具有1.1％的可回复应变量。

本发明公开一种Fe-Ni-Co-Al-Dy超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金的表达式为 Fe_aNi_bCo_cAl_dDy_e，其中a,b,c,d,e分别表示各对应元素的原子个数百分比(at.％)，且满足以下条件：a＝35～60，b＝18～38，c＝7～25，d＝5～18，e＝0.01～10，a+b+c+d+e＝100。该合金的制备方法中包括熔炼、轧制、固溶和时效处理。本发明的超弹性合金通过添加稀土元素、控制热处理方式和时间来调控析出相的大小和体积分数。析出相可以使基体母相有序，利于发生热弹性马氏体相变，还可以钉扎位错，抑制合金的塑性变形，从而获得优良的超弹性。本发明的超弹性合金强度超过1300MPa，可回复应变量为1.1％。