阅读说明：本技术 一种多晶FeNiCoAlNbV超弹性合金及其制备方法 (Polycrystalline FeNiCoAlNbV hyperelastic alloy and preparation method thereof ) 是由 张洋 杜康 张中武 黄涛 马亚玺 郁永政 黄楷岚 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多晶FeNiCoAlNbV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)Nb-(e)V-(f),合金表达式中a,b,c,d,e,f分别表示对应各组元的原子百分比含量,且满足以下条件：a为35～60,b为25～50,c为8～35,d为1～20,e为1～5,f为1～5,a+b+c+d+e+f＝100。本发明的超弹性合金在热处理方面进行了优化,均匀化之后直接进行冷轧,然后时效,工艺更加简化,过程更加可控。该超弹性合金通过调整每个组元的含量来调控纳米沉淀相的析出体积分数,以获得薄片状马氏体,促进热弹性马氏体转变,从而获得高塑性、高强度和大的可回复应变。(The invention discloses a polycrystalline FeNiCoAlNbV hyperelastic alloy and a preparation method thereof, wherein the expression of the hyperelastic alloy is Fe a Ni b Co c Al d Nb e V f In the formula of the alloy, a, b, c, d, e and f are respectively shown in the tableThe atom percentage content of each corresponding component is shown, and the following conditions are met: a is 35 to 60, b is 25 to 50, c is 8 to 35, d is 1 to 20, e is 1 to 5, f is 1 to 5, and a + b + c + d + e + f is 100. The super-elastic alloy is optimized in the aspect of heat treatment, is directly cold-rolled after being homogenized, and is aged, so that the process is simplified, and the process is controllable. The super-elastic alloy regulates and controls the precipitation volume fraction of a nano precipitated phase by adjusting the content of each component to obtain sheet martensite and promote the transformation of the thermo-elastic martensite, thereby obtaining high plasticity, high strength and large recoverable strain.)

一种多晶FeNiCoAlNbV超弹性合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多晶FeNCoAlNbV超弹性合金及其制备方法，属于超弹性合金技术领域。

背景技术

一般情况下，金属材料在外力作用下发生变形，当变形量在弹性阶段内时，卸载后，材料可恢复原始状态；而当变形量大于弹性阶段时，材料发生永久塑性变形，外力去除后，材料无法恢复到变形前的状态，金属材料的弹性应变通常被限制在0.2％左右。然而，有一类特殊的金属材料虽然变形量明显大于其弹性阶段，通过在A_f点以上对合金进行加载，合金会因发生应力诱发的马氏体相变而产生一定的应变，当载荷卸除时，应变产生回复。这类金属材料称为超弹性合金。

作为新型功能材料的一种，相比于其它材料，超弹性合金有许多特殊的功能，例如良好的生物相容性、较好的耐腐蚀性和耐磨性等。因其具有众多的优点，超弹性合金被广泛的应用于电子、机械、航空航天、船舶减震降噪、医疗以及日常生活等领域，具有广阔的研究前景。

按照材料的组成分，超弹性合金可分为三类，分别为Ti-Ni基超弹性合金、Cu基超弹性合金以及Fe基超弹性合金。其中，Ti-Ni基超弹性合金的最大可恢复应变能达到8％左右，在工业上具有相对较为成熟的应用，但其加工性能差，冶炼过程复杂，制备成本高，价格昂贵，使得其实际应用受到很大的限制。Cu基超弹性合金的最大可恢复应变能达到5％左右，尽管具有优秀的导电导热性能、宽范围内相变温度可调等诸多优点，然而，其性能不稳定、耐蚀性差、强度不高且容易在晶界处脆断，限制了其发展应用。相比Ti-Ni基和Cu基超弹性合金，Fe基超弹性合金具有机加工性能优异、原材料资源丰富、价格低廉、力学性能优良等优点，使其具有极大的研究价值。但大多数的多晶Fe基超弹性合金一般都不具备超弹性，通过亚稳Ni₃Ti-γ'(L1₂)的相干析出物强化的Fe-Ni-Co-Ti合金只有在-30℃时才能获得超弹性，而且其可恢复应变只有0.7％，远达不到实际生产应用的要求。

本发明以FeNiCoAl为基体，开发了Fe-Ni-Co-Al-Nb-V超弹性合金，通过添加Nb元素，调控纳米相的析出，与母相形成相干应力场，在一定程度上强化了奥氏体基体，提升了合金的强度和硬度；通过添加不同比例的V元素来减小热滞，增加母相的有序度和强度，提升了马氏体的四方度，使得该超弹性合金在具有高强度的同时还兼具优异的塑性，弥补了超弹性合金在具有高强度条件下塑性差的不足，并有高达5.7％的可回复应变。

公开号CN 103509988 A的发明专利申请公开了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，形状记忆合金的成分为(at.％)，Fe_aNi_bCo_cAl_dNb_eB_f，合金表达式中a、b、c、d、e、f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为30～50，b为28～40，c为10～30，d为8～15，e为1～4，f为0.1～3，a+b+c+d+e+f＝100。该专利合金表现出了良好的超弹性，在热轧后先进行了固溶，然后水淬，再进行了冷轧，然后进行二次固溶，最后时效，这与本发明的热处理工艺完全不同。本发明的合金热处理工艺为均匀化、冷轧和时效，从而获得超弹性合金材料，不需要进行固溶处理，工艺条件更加简化，更适合应用于工业生产实践。

发明内容

发明目的：针对现有的超弹性合金不能同时兼具高塑性和高强度的问题，本发明提供了一种高塑性高强度的超弹性合金，从而使得其具有较大的应用潜力，并提供一种超弹性合金的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种高塑性高强度的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_dNb_eV_f，合金表达式中a,b,c,d,e,f分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为35～60，b为25～50，c为8～35，d为1～20，e为1～5，f为1～5，a+b+c+d+e+f＝100。

该高强度高塑性的超弹性合金的发明原理及成分设计依据如下：

发明原理：与其他发明的超弹性合金相比，本发明的超弹性合金在热处理工艺上更加简化，能够更好地应用于工业生产，将熔炼得到的金属铸锭加热到1050～1250℃使铸件均匀化，在该温度下保温1～12h，随后水淬，然后在室温下进行≥90％的大变形量冷轧。再通过调控Nb和V元素的含量，提高纳米相析出体积分数，减小热滞，促进热弹性马氏体转变，以获得高塑性和高强度的合金。

成分设计依据：该高塑性高强度的超弹性合金选用Fe、Ni、Co、Al为基体相元素，这四种元素中Fe是Fe基超弹性合金的主要元素，Ni是影响马氏体相变的重要元素，Ni含量的增加可以有效降低马氏体相变温度，从而强化Ni₃Al析出相，而Al是有利于形成Ni₃Al析出相的重要合金元素，通过添加Co可以有效减少马氏体相变体积，从而减少合金应力集中，提高合金的塑性。Nb的添加不仅促进了Ni₃Al相的析出，同时也能细化晶粒，有效提高合金的塑性和硬度。而V元素能有效降低马氏体相变的温度，使其形态从透镜状变为薄片状，这有利于合金超弹性的获得和力学性能的提高。

本发明所述的高塑性高强度超弹性合金及其制备方法，包括如下步骤：

(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比进行配料，放入真空熔炼炉中，经熔炼、浇铸成合金铸锭；

(2)均匀化、冷轧；

(3)时效处理。

步骤(1)，熔炼及浇铸过程在气体保护中进行，熔炼过程中利用相关搅拌技术使金属溶液混合均匀。

步骤(2)，将铸件加热到1050～1250℃，保温1～12h，随后进行水淬，在室温下进行≥90％的大变形量冷轧。

步骤(3)，将轧制后的合金在550～700℃下时效处理1～90h。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)通过添加Nb元素来强化纳米相的析出，与基体保持共格产生弹性应力场，有利于热弹性马氏体相变的发生；通过添加V元素减小热滞，V元素作为Ni基高温合金中的稳定剂，可以稳定γ'相，并促进γ'相析出。(2)本发明的制备方法相比其他超弹性合金的制备，热处理方面进行了优化，均匀化之后进行水冷，保持母相处于高温单相区，然后在室温下进行变形量≥90％的大变形量冷轧，促进小角度晶界的产生，提高再结晶织构的强度并抑制元素偏聚及β-NiAl相的形成，随后时效，避免因固溶处理降低再结晶织构的强度。本发明工艺更加简化，过程更加可控，时效时间大幅度减少，容易实现工业化生产。

附图说明

图1是实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb-V合金在600℃下时效21h后的显微组织；

图2是实施例1本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb-V合金在600℃下时效21h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；

图3是实施例2本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb-V合金在600℃下时效36h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；

图4实施例2本发明的Fe-Ni-Co-Al-Nb-V合金在600℃下时效36h后的显微组织。

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。

本领域的技术人员在理解本发明基本的构思的情形下，可以对这些进行一些显而易见的变化和改动，这些都属于本发明的范围内。本发明的范围仅由权利要求来限定。

实施例1

选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌、金属钒，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝40.0，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.0，Nb＝2.0，V＝2.0。

制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材；

铸锭加热到1100℃，保温1.5h，随后水淬；

在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；

将冷轧后的材料在600℃时效21h，然后空冷至室温。

实施例2

选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌、金属钒，合金成分如下(原子百分含量％)：Fe＝40.0，Ni＝30.0，Co＝16.0，Al＝10.0，Nb＝2.0，V＝2.0。

制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材。

铸锭加热到1100℃，保温1.5h，随后水淬；

在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；

将冷轧后的材料在600℃时效36h，然后空冷至室温。

本发明公开一种多晶FeNiCoAlNbV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_dNb_eV_f，合金表达式中a,b,c,d,e,f分别表示对应各组元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为35～60，b为25～50，c为8～35，d为1～20，e为1～5，f为1～5，a+b+c+d+e+f＝100。本发明的超弹性合金在热处理方面进行了优化，均匀化之后直接进行冷轧，然后时效，工艺更加简化，过程更加可控。该超弹性合金通过调整每个组元的含量来调控纳米沉淀相的析出体积分数，以获得薄片状马氏体，促进热弹性马氏体转变，从而获得高塑性、高强度和大的可回复应变，具有广阔的应用前景。