專利名稱：晶粒尺寸細(xì)小的TiNi塊體納米晶材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塊體納米晶材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種晶粒尺寸細(xì) 小的TiM塊體納米晶材料的制備方法。
背景技術(shù)：
納米晶材料由于與傳統(tǒng)材料相比具有優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等功能 特性，它的發(fā)展和應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和高科技領(lǐng)域占據(jù)非常重要的地位。尤其是晶粒尺寸細(xì) 小(< 20nm)且缺陷較少的塊體納米晶材料(外形尺寸在毫米級(jí)別)，由于如此細(xì)小的晶 粒尺寸會(huì)導(dǎo)致一些更加奇特的特性因而具有更加廣闊的應(yīng)用前景。但該類納米材料的制備 相當(dāng)復(fù)雜和困難。塊體納米晶材料的制備主要分為從小到大和從大到小兩種途徑，其中，從 小到大的制備方法主要通過(guò)納米顆粒的壓制成型完成，在制備過(guò)程中會(huì)存在大量的缺陷， 從而影響納米晶材料的性能。從大到小的制備途徑主要涉及的方法有嚴(yán)重塑性變形、塊 體非晶晶化、等離子體或電火花燒結(jié)、惰性氣體冷凝法等，然而這些方法所制備的塊體納米 晶材料的晶粒尺寸一般集中在20-100nm范圍內(nèi)甚至更大。制備晶粒尺寸小于20nm的塊體 納米晶材料十分困難，尤其是塊體的純金屬或二元合金材料。電沉積曾被用來(lái)成功的制備 某些晶粒小于20nm的納米晶材料，然而，電沉積方法很難制備出尺寸較大的塊體納米晶材 料，因而，如何制備晶粒尺寸小于20nm的且具有較大外形尺寸的塊體納米晶材料一直是材 料制備領(lǐng)域的一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種晶粒尺寸細(xì)小的TiM塊體納米晶材料的制備方法， 它明顯不同于其它的方法，它通過(guò)首先采用電塑性軋制結(jié)合后續(xù)退火技術(shù)制備具有較大平 均晶粒尺寸(40 50nm)的TiM塊體納米晶前驅(qū)材料，然后對(duì)該前驅(qū)材料進(jìn)行拉伸變形直 至斷裂，利用TiNi合金本身可以在室溫變形發(fā)生馬氏體相變的特征，通過(guò)變形相變過(guò)程中 內(nèi)生出晶粒尺寸細(xì)小的B19’相納米晶，從而制備晶粒尺寸細(xì)小(平均晶粒尺寸10 20nm) 的TiNi塊體納米晶材料。本發(fā)明所提供的制備晶粒尺寸細(xì)小的TiM塊體納米晶材料的方法所采用的工藝 步驟是1.采用800-850 °C退火l_2h后快速冷卻的方法制備合金成分比例范圍 0. 49 0. 51 0. 51 0. 49的TiNi塊體粗晶合金材料。2.對(duì)上述制備的TiM塊體粗晶材料進(jìn)行電塑性軋制，在對(duì)所述塊體粗晶材料進(jìn) 行軋制的過(guò)程中脈沖電源提供脈沖電流，電流密度84Amm2，脈沖電流頻率103Hz，脈沖持 續(xù)時(shí)間8X 10_5s，軋制應(yīng)變量:e = 1. 7，軋制后TiNi塊體材料的厚度為0. 4mm。3.對(duì)電塑性軋制制備出的TiM塊體粗晶合金進(jìn)行高真空退火，退火溫度 440-460°C，退火時(shí)間lh，退火真空度p < 10_4Pa。退火后TiNi合金具有B2結(jié)構(gòu)，平均晶 粒尺寸為40 50nm，該合金作為制備晶粒尺寸細(xì)小的TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料。
3
4.室溫下，將上述制備的晶粒尺寸40 50nm的TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料進(jìn)行拉 伸變形。首先將TiM前驅(qū)材料制備成拉伸樣品，采用5848拉伸試驗(yàn)機(jī)將樣品兩端固定，對(duì) 其進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為JO、、拉伸直至斷裂，由于TiNi材料在室溫下變形便可發(fā) 生馬氏體相變，通過(guò)變形相變過(guò)程中內(nèi)生出晶粒尺寸細(xì)小的B19’相納米晶，在斷口附近便 可獲得晶粒尺寸10 20nm的TiNi塊體納米晶材料。本發(fā)明的有益效果是利用具有較大納米晶尺寸(40 50nm)的TiNi塊體納米 晶材料，在強(qiáng)變形的條件下，在室溫發(fā)生馬氏體相變內(nèi)生出具有較小納米晶尺寸的(10 20nm)具有B19’相的塊體納米晶材料，這使得在納米晶材料的制備過(guò)程中避免了晶粒尺寸 的長(zhǎng)大，因而本發(fā)明可以制備出晶粒尺寸非常細(xì)小的TiNi塊體納米晶材料。


圖1是制備TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料的電塑性軋制(a)和拉伸實(shí)驗(yàn)裝置(b)示 意圖；圖2是電塑性軋制制備的TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料的透射電鏡明場(chǎng)像(a)和晶 粒尺寸分布圖(b)；圖3是TiM塊體納米晶前驅(qū)材料變形后生成的具有細(xì)小晶粒尺寸的塊體納米晶 材料的透射電鏡暗場(chǎng)像(a)和晶粒尺寸分布圖(b)。在圖1中，1.上軋輥，2. TiNi塊體粗晶合金樣品，3.托板，4.脈沖電源，5.電流流 通方向，6.下軋輥，7.拉伸樣品，8、9.拉伸方向，10.斷裂裂紋。
具體實(shí)施例方式在室溫下，對(duì)成分比例0. 507 0. 493的TiNi塊體粗晶樣品2進(jìn)行電塑性軋制， 所述TiNi塊體粗晶合金樣品2是采用800-850°C退火l_2h后快速冷卻的方法制備的，該 粗晶樣品的厚度為2. 14mm，寬為6mm，長(zhǎng)為150mm，具有B2結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸為80 μ m。實(shí) 驗(yàn)裝置示意圖如圖1(a)所示，將TiNi塊體粗晶合金樣品2放到兩個(gè)軋輥(1、6)之間進(jìn)行 軋制，真應(yīng)變量為e = 1. 7，在軋制過(guò)程中由脈沖電源4提供強(qiáng)脈沖電流，強(qiáng)脈沖電流從脈 沖電源4的負(fù)極流出經(jīng)托板3進(jìn)入TiNi塊體粗晶合金樣品2，然后通過(guò)軋輥1流回脈沖電 源正極，5表示脈沖電流的流動(dòng)方向，這樣可以確保在軋制的區(qū)域有脈沖電流通過(guò)。電流密 度84Amm2，脈沖電流頻率103Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間8 X 10_5s，通入脈沖電流的目的是提高樣 品的變形能力，從而獲得理想的結(jié)構(gòu)。托板3的作用一是用來(lái)拖住TiNi塊體粗晶合金樣品 2進(jìn)行送樣，二是作為電路的一部分，使得被軋制TiM塊體粗晶合金樣品2中一直有電流通 過(guò)。電塑性軋制獲得的TiNi塊體粗晶合金樣品2而后進(jìn)行高真空退火，退火溫度450°C， 退火時(shí)間lh，退火真空度p < 10_4Pa，退火后便獲得了具有圖2所示的微結(jié)構(gòu)，平均晶粒 尺寸 45nm的塊體納米晶前驅(qū)材料。然后，把該塊體前驅(qū)材料制備成如圖1 (b)所示的拉 伸樣品7形狀，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上固定拉伸樣品7，兩端對(duì)拉伸樣品7沿著8、9兩個(gè)方向進(jìn)行 拉伸，直至斷裂裂紋10出現(xiàn)后拉伸樣品7斷裂，拉伸樣品7斷裂后在斷口附近應(yīng)力集中地 方便可獲得如圖3所示結(jié)構(gòu)的平均晶粒尺寸 14nm的TiM塊體納米晶材料。該TiM塊 體納米晶合金材料的外形尺寸為長(zhǎng)3mm，寬2mm，厚0. 4mm。圖2(a)和圖3(a)所示的照片是在透射電鏡上所獲得的明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像照片。從該照片上可以看出TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料的平均晶粒尺寸 45nm，所制備出的TiNi塊 體納米晶合金材料的晶粒尺寸 14nm。該TiNi塊體納米晶合金材料晶粒尺寸以及微結(jié)構(gòu) 的觀察是在JEM-2010透射電子顯微鏡上完成的，觀察電壓200kV。
權(quán)利要求
一種晶粒尺寸細(xì)小的TiNi塊體納米晶材料的制備方法，其特征是所述方法的具體步驟是a.采用800 850℃退火1 2h后快速冷卻的方法制備合金成分比例范圍0.49∶0.51～0.51∶0.49的塊體TiNi粗晶合金；b.在室溫下，對(duì)TiNi塊體粗晶合金進(jìn)行電塑性軋制，將TiNi塊體粗晶合金樣品(2)放到兩個(gè)軋輥(1、6)之間進(jìn)行軋制，軋制應(yīng)變量e＝1.7，軋制的過(guò)程中由脈沖電源(4)提供強(qiáng)脈沖電流，電流密度84Amm 2，脈沖電流頻率103Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間8×10 5s，脈沖電流通過(guò)托板(3)進(jìn)入TiNi塊體粗晶合金(2)而后通過(guò)軋輥沿著(5)所示的方向流回脈沖電源(4)；c.對(duì)電塑性軋制獲得的TiNi塊體粗晶合金樣品(2)進(jìn)行高真空退火，退火溫度440 460℃，退火時(shí)間1h，退火真空度p＜10 4Pa，獲得平均晶粒尺寸40～50nm的TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料；d.將TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料制備成拉伸樣品(7)，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上固定拉伸樣品(7)的兩端，對(duì)拉伸樣品(7)沿著(8)、(9)兩個(gè)方向進(jìn)行拉伸，應(yīng)變速率為10 3s 1，直至拉伸樣品(7)斷裂，拉伸樣品(7)斷裂后在斷口附近應(yīng)力集中的地方取下樣品，獲得均晶粒尺寸10～20nm的TiNi塊體納米晶材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種具有細(xì)小晶粒尺寸TiNi的塊體納米晶材料的制備方法，該發(fā)明通過(guò)先采用電塑性軋制TiNi粗晶合金結(jié)合后續(xù)熱退火技術(shù)制備具有納米晶尺寸40～50nm的TiNi塊體納米晶前驅(qū)材料，對(duì)所述前驅(qū)材料進(jìn)行拉伸變形，通過(guò)材料拉伸斷裂過(guò)程中引入較大的應(yīng)力作用于該納米晶前驅(qū)材料，利用TiNi合金在室溫便可發(fā)生相變的特性，通過(guò)變形誘導(dǎo)TiNi合金發(fā)生馬氏體相變，在新相的形成過(guò)程中獲得平均晶粒尺寸10～20nm的TiNi塊體納米晶合金材料，所述方法的參數(shù)為電塑性軋制電流密度84Amm-2，脈沖電流頻率103Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間8×10-5s，應(yīng)變量e＝1.7，后續(xù)退火溫度440-460℃，退火時(shí)間1h，退火真空度p＜10-4Pa。本發(fā)明為具有細(xì)小晶粒尺寸的塊體納米晶的應(yīng)用和發(fā)展提供了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C22F1/18GK101962743SQ20101051691
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者張湘義, 李曉紅 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)