一种CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法 (CuAlMnCoNi shape memory alloy and preparation method thereof ) 是由 崔烨 张中武 张春毅 连宏凯 李星豪 余明 张洋 孙利昕 陈丹 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：一种CuAlMnCoNi形状记忆合金,该记忆合金的化学式为：Cu-(x)Al-(y)Mn-(z)Co-(j)Ni-(k)；其中,12≤y≤18,8≤z≤15,0.5＜j≤5,0.5＜k≤5,x+y+z+j+k＝100,x、y、z、j、k表示摩尔百分比含量；由以下方法制备而成：(1)选取Cu、Al、Mn、Co、Ni按照合金成分比进行配比,然后熔炼得到合金锭；(2)将合金锭进行变形,得到待用的样品；(3)将待用的样品进行循环热处理或者定向退火；(4)随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金进行淬火处理；本发明使用的热处理工艺简单,易于操作,经济环保,能够高效制备大尺寸单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金。(A CuAlMnCoNi shape memory alloy having the formula: cu x Al y Mn z Co j Ni k (ii) a Wherein y is more than or equal to 12 and less than or equal to 18, z is more than or equal to 8 and less than or equal to 15, j is more than 0.5 and less than or equal to 5, k is more than 0.5 and less than or equal to 5, x + y + z + j + k is 100, and x, y, z, j and k represent the content in mole percentage; the preparation method comprises the following steps: (1) selecting Cu, Al, Mn, Co and Ni to be matched according to the alloy composition ratio, and then smelting to obtain an alloy ingot; (2) deforming the alloy ingot to obtain a sample for standby; (3) carrying out circulating heat treatment or directional annealing on a sample to be used; (4) then quenching the CuAlMnCoNi shape memory alloy; the heat treatment process used by the invention is simple, easy to operate, economic and environment-friendly, and can efficiently prepare the large-size monocrystal CuAlMnCoNi shape memory alloy.)
技术领域
本发明涉及一种CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法，属于形状记忆合金领域。
背景技术
形状记忆合金是一种具有形状记忆功能的材料，其能够通过受到磁场，温度场或应力场影响而改变其相组成，通过相变实现其回复到初始形状的效应。此外，在一定温度区间，形状记忆合金可以在应力卸载后自动回复到受力前的形状，这种行为被称为超弹性或伪弹性。由于形状记忆合金具有上述特异性能，能够广泛应用于包括传感器、制动器、微控制器、生物医用、减震降噪等多领域。Cu基形状记忆合金具有价格低廉、导电和导热性能良好、相变温度可调范围宽等诸多优点，在电子通信、机械制造、土木建筑及日常生活等应用领域具有一定的优势。控制形状记忆合金的晶体结构是提高其超弹性的重要手段，由于多晶Cu基形状记忆合金存在塑性差、易发生晶界开裂、强度低等问题，因此制备大晶粒CuAlMnCoNi形状记忆合金成为重要的研究方向。此外，具有明显晶体择优取向的柱状晶能够提高多晶材料变形协调性，因此制备具有特定晶粒取向的CuAlMnCoNi形状记忆合金也是一个重要的发展方向。传统的单晶制备方法如提拉法、布里奇曼晶体生长法等都可以获得单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，但是制备工艺相对来说比较复杂，控制难度大。通过定向凝固也可以制备单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，但是定向凝固法制备单晶或柱状晶消耗能量较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸单晶或柱状晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，该形状记忆合金具备高应变回复能力、大晶粒并且大晶粒有特定尺寸的特点，并且，Co、Ni两种元素的增加更加提高了反应效率，提高了合金的性能。本发明的目的还在于提供一种能够制备大尺寸单晶或具有明显晶体学择优取向的柱状晶的CuAlMnCoNi形状记忆合金的制备方法。
鉴于Omori T曾通过循环热处理的方法促使晶粒异常长大从而获得大的单晶组织，对CuAlMnCoNi形状记忆合金进行简单热处理会使其析出α相，在α相析出过程中会在β相上引入亚晶，这些亚晶在接下来的热处理中为β相异常晶粒长大提供驱动力，从而使其晶粒异常长大最终获得大的单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金。在该合金体系中使用循环热处理可以使晶粒生长的更快，晶粒长的更大。并且通过循环热处理和定向退火二者相结合的方法可以制备具有晶粒择优取向的单晶或柱状晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，提高单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金制备效率。
Mn：在Cu-Al系合金中添加一定量的Mn可以扩大β相区，抑制γ相的析出，从而提高力学性能。
Co：添加一定量的Co可以促进二次再结晶，通过晶粒异常长大可以获得大的晶粒尺寸；添加Co还可以加快晶界迁移速率，通过短时间的热处理即可得到大的单晶组织。但是随着Co含量的增加会降低合金的冷加工性能和延伸率，因此限定Co含量在5％以内。
Ni：添加适量的Ni有利于获得织构，提高合金的力学性能。但是Ni含量过大时，合金的脆性也变大，因此Ni含量被限定在5％以内。同时添加一定量Co和Ni可以促进晶界迁移，提高晶粒长大的速率，容易获得单晶或柱状晶组织，并且具有良好的力学性能。
基于此，本发明的技术方案是：
一种CuAlMnCoNi形状记忆合金，该记忆合金的化学式为：CuxAlyMnzCojNik；其中，12≤y≤18，8≤z≤15，0.5＜j≤5，0.5＜k≤5，x+y+z+j+k＝100，x、y、z、j、k表示摩尔百分比含量；
一种CuAlMnCoNi形状记忆合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取Cu、Al、Mn、Co、Ni按照合金成分比进行配比，然后熔炼得到合金锭；
(2)将合金锭进行变形，得到待用的样品；
(3)将待用的样品进行循环热处理或者定向退火获得单晶或柱状晶结构的CuAlMnCoNi形状记忆合金；
(4)随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金进行淬火处理：
所述步骤(3)中的定向退火包括单向定向退火和双向定向退火，加热区宽度为2-50mm，定向退火的温度为750-950℃，温度场的温度梯度为10-100℃/mm，样品穿过加热区的移动速率为1-400μm/s；
所述步骤(3)中的循环热处理为：
a.将CuAlMnCoNi形状记忆合金加热至750-950℃，保温10-300分钟，升温速率为1-10℃/分钟；
b.将CuAlMnCoNi形状记忆合金冷却至500-650℃，保温时间10-300分钟，降温速率为1-10℃/分钟；
c.重复上述步骤a和步骤b；
所述淬火处理的温度为750℃以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法，在经过热处理之后，可以得到具有大晶粒尺寸的单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，在使用定向退火工艺可以实现CuAlMnCoNi形状记忆合金的异常晶粒长大过程中的晶界定向迁移，有利于得到具有晶粒择优取向的柱状晶或单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，定向退火工艺简单，并且不受产品尺寸和形状的限制。
本发明使用的热处理工艺简单，易于操作，经济环保，能够高效制备大尺寸单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金。
附图说明
图1是实例1的晶粒尺寸照片；
图2是实例1的最大可回复应变曲线；
图3是实例2的晶粒尺寸照片；
图4是实例2的最大可回复应变曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
一种(Cu71.6Al17Mn11.4)97.5Co0.5Ni2形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Cu 69.81％、Al 16.58％、Mn 11.12％、Co 0.5％、Ni 2％称量纯度为99.99％的无氧铜、纯铝、电解锰、纯钴和纯镍置于铜坩埚内进行熔炼，反复熔炼4-5次，获得合金锭。将合金锭在800℃热轧至4毫米厚，再经过冷轧至3毫米厚。将轧制好的样品放在热处理炉中，先升温至900℃保温20min，再降温至500℃保温20min，再升温至900℃保温100min，经过两次该循环热处理获得大晶粒尺寸的CuAlMnCoNi形状记忆合金，随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金在900℃进行淬火处理，淬火方式为水淬，最终获得晶粒尺寸超过35mm的单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金，其晶粒尺寸照片如图1所示。随后对其进行循环加载卸载拉伸实验，其抗拉强度超过550MPa。最大可回复应变曲线如图2所示，10％应变下卸载后对应的残余应变值几乎为0。
实施例2
一种(Cu70Al18Mn12)98.5Co0.5Ni1形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Cu68.95％、Al 17.73％、Mn 11.82％、Co 0.5％、Ni 1％称量纯度为99.99％的无氧铜、纯铝、电解锰、纯钴和纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼4-5次，获得合金锭。将合金锭在800℃热轧至4毫米厚，再经过冷轧至3毫米厚。将轧制好的样品放在热处理炉中，先升温至900℃保温20min，再降温至500℃保温20min，再升温至900℃保温100min，经过两次该循环热处理获得大晶粒尺寸的CuAlMnCoNi形状记忆合金，随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金在900℃进行淬火处理，淬火方式为水淬，最终获得大的单晶组织，其晶粒尺寸照片如图3所示。随后对其进行循环加载卸载拉伸实验，最大可回复应变曲线如图4所示。
实施例3
一种(Cu72Al15Mn13)98Co1Ni1形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Cu70.56％、Al 14.7％、Mn12.74％、Co 1％、Ni 1％称量纯度为99.99％的无氧铜、纯铝、电解锰、纯钴和纯镍置于铜坩埚内进行熔炼，反复熔炼4-5次，获得合金锭。将合金锭在800℃热轧至4毫米厚，再经过冷轧至3毫米厚。将轧制好的样品安装在定向退火炉内的抽拉杆上，样品的上端与热区一致，关闭定向退火炉，抽真空，将热区温度调整至900℃，热区宽度为20mm，温度梯度100℃/mm，使合金材料相对热区的移动速率在30μm/s穿过上述温度场。随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金进行淬火处理，获得柱状晶形状记忆合金。
实施例4
一种(Cu69Al16Mn15)96.5Co2Ni1.5形状记忆合金及其制备方法：按摩尔百分比为：Cu66.6％、Al 15.44％、Mn 14.48％、Co 2％、Ni 1.5％称量纯度为99.99％的无氧铜、纯铝、电解锰、纯钴和纯镍置于铜坩埚内，抽真空，进行熔炼，反复熔炼4-5次，获得合金锭。将合金锭在800℃热轧至4毫米厚，再经过冷轧至3毫米厚。将轧制好的样品安装在定向退火炉内的抽拉杆上，样品的上端与热区一致，关闭定向退火炉，抽真空，将热区温度调整至900℃，热区宽度为20mm，温度梯度100℃/mm，使合金材料相对热区的移动速率在40μm/s穿过上述温度场。随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金进行淬火处理，获得柱状晶形状记忆合金。再将样品放在热处理炉中，先升温至900℃保温10min，再降温至500℃保温10min，再升温至900℃保温60min，经过三次该循环热处理获得大晶粒尺寸的CuAlMnCoNi形状记忆合金，随后对CuAlMnCoNi形状记忆合金在900℃进行淬火处理，淬火方式为水淬，最终获得单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金。
综上所述：本发明涉及一种具有高应变回复能力单晶CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域，目的在于提供一种CuAlMnCoNi形状记忆合金及其制备方法。本发明设计一种CuAlMnCoNi合金体系，经过简单的热处理即可得到大的单晶结构，通过定向退火或者定向退火与循环热处理二者相结合的方法可以得到具有晶粒择优取向的单晶或柱状晶结构，同时具有高的可回复应变。本发明工艺简单，易于操作，经济环保，可用于不同形状CuAlMnCoNi形状记忆合金单晶或柱状晶的制备；本发明还有利于控制晶粒的取向，制备不同取向的单晶或柱状晶CuAlMnCoNi形状记忆合金。
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