一種CuAlMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及改變銅基合金的物理結(jié)構(gòu)，具體地說(shuō)是一種CuAIMn形狀記 憶合金晶粒的細(xì)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅基形狀記憶合金是一類(lèi)重要的阻尼材料，該類(lèi)材料除了具有高的阻尼本領(lǐng)外， 同時(shí)亦有著優(yōu)良的形狀記憶性能以及高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力，加上其與NiTi形狀記憶合金相 比價(jià)格低廉，近些年來(lái)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。然而，作為一類(lèi)實(shí)用性材料，銅基形狀 記憶合金至今仍存在易發(fā)生沿晶斷裂，從而導(dǎo)致強(qiáng)度及韌性較差的問(wèn)題，這已嚴(yán)重阻礙了 該類(lèi)材料的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。因此，銅基形狀記憶合金的強(qiáng)韌化研究勢(shì)在必行。人們深入 的研究分析認(rèn)為，銅基形狀記憶合金易發(fā)生沿晶斷裂主要是由其過(guò)于粗大的晶粒所造成 的，粗大的晶粒會(huì)導(dǎo)致合金在變形過(guò)程中在晶界面上產(chǎn)生大的位移，為了維持晶粒間的協(xié) 調(diào)性，勢(shì)必會(huì)在晶界處產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。假如這種應(yīng)力集中得不到松弛，裂紋就會(huì)產(chǎn)生。 因此，為協(xié)調(diào)晶粒變形、避免應(yīng)力集中產(chǎn)生以防止開(kāi)裂，最有效的手段就是細(xì)化晶粒。
[0003] 近些年來(lái)，人們?cè)阢~基形狀記憶合金晶粒細(xì)化方面已做了較多的工作現(xiàn)有技術(shù)中 開(kāi)發(fā)的方法包括快速凝固法、粉末冶金法、元素添加法、以及熔體攪拌、機(jī)械振動(dòng)和超聲振 蕩法。然而，據(jù)已有研究成果可知，采用粉末冶金法制造銅基形狀記憶合金，其工藝參數(shù)難 以控制;熔體攪拌、機(jī)械振動(dòng)和超聲振蕩等對(duì)金屬材料晶粒的細(xì)化效果有限，即難以獲得超 細(xì)晶粒的合金;快速凝固法雖可獲得超細(xì)晶粒的合金，但其難以制得尺寸較大的產(chǎn)品，且所 得產(chǎn)品的有序度較低和相變點(diǎn)不穩(wěn)定，從而難以實(shí)用；比較而言，元素添加法具有簡(jiǎn)單、易 操作、細(xì)化效果顯著、且所制備產(chǎn)品不受尺寸限制等優(yōu)點(diǎn)。多人已報(bào)道過(guò)采用元素添加法對(duì) CuAIMn形狀記憶合金進(jìn)行細(xì)化的案例（[1 ] Y · Sutou，T · Omori，N · Koeda，R · Kaimuma，et al.Effects of grain size and texture on damping properties of CuAlMn-based shape memory alloys.Materials Science and Engineering A,2006,438-440:743-746. [2]J. Chen ,Z. Li ,Y.Y. Zhao . A high-working-temperature CuAlMnZr shape memory alloy. Journal of Alloys and Compounds ,2009,480:481-484.[3]Y.Sutou,T.Omori, R.Kainuma,et al.Grain size dependence of pseudoelasticity in polycrystalline CuAlMn-based shape memory alloy.Acta Materialia，2013,61:3842_3850.)D然而，上述 案例所披露的對(duì)CuAIMn形狀記憶合金進(jìn)行細(xì)化的效果有限，仍需開(kāi)發(fā)新的晶粒細(xì)化的方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化方法， 通過(guò)設(shè)計(jì)新型孕育劑，并利用其變質(zhì)細(xì)化作用對(duì)待細(xì)化CuAIMn形狀記憶合金的晶粒進(jìn)行細(xì) 化，克服了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)CuAIMn形狀記憶合金進(jìn)行細(xì)化的效果有限的缺陷，使得現(xiàn)有CuAIMn 形狀記憶合金的力學(xué)性能及低溫阻尼性能同時(shí)獲得顯著提高。
[0005] 本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì) 化方法，步驟如下：
[0006] 第一步，制備孕育劑Cu51Zn4:
[OOO7 ]按Cu5i Zr 14所示成分的原子數(shù)比為Cu: Zr = 51:14，分別稱(chēng)取所需質(zhì)量的原料純Cu 和純Zr進(jìn)行配料，然后放入非自耗型真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X l(T3Pa后開(kāi)始通電并起弧 熔煉，待配料全部熔化后澆注，將澆注得到的合金翻置后在與上述同樣條件下重新熔煉，如 此重復(fù)3~5次后制得Cu 51Zr14孕育劑，然后對(duì)所制得的孕育劑Cu51Zr14進(jìn)行粉碎處理，待用； [0008] 第二步，CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化：
[0009]取所需質(zhì)量的成分配比為Cu-11.9%Al-2.5%Mn的銅基形狀記憶合金置于中頻感 應(yīng)電爐內(nèi)熔化，然后移至井式坩堝爐內(nèi)，并于1090~1100°C保溫5~8分鐘后投入該銅基形 狀記憶合金總質(zhì)量0.1~1.0%的第一步所制得的粉碎處理后的孕育劑Cu 51Zn4,攪拌10~ 15秒鐘并撇渣后澆入鋼制模具中，由此完成CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化，上述百分?jǐn)?shù) 為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
[0010] 上述一種CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化方法，所述第二步中投入該銅基形狀記 憶合金總質(zhì)量?jī)?yōu)選0.9%的第一步所制得的粉碎處理后的孕育劑Cu51Zn4。
[0011 ]上述一種CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化方法，其中所用原料均為商購(gòu)獲得，所 涉及的工藝和設(shè)備均為本技術(shù)領(lǐng)域公知的。
[0012] 為了使采用上述方法進(jìn)行晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金獲得良好的綜合性 能，調(diào)整CuAIMn形狀記憶合金內(nèi)部孿晶的尺寸，使得合金的力學(xué)性能與低溫阻尼性能同時(shí) 獲得了提高，將晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金進(jìn)行如下的熱處理:將采用上述方法進(jìn) 行晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金升溫至860~900°C并保溫15分鐘后投入室溫的水中 淬火，然后以8~10°C/分鐘的速率重新升溫至330~360 °C并保溫15~20分鐘后投入室溫的 水中，完成熱處理，由此制得具有良好綜合性能的CuAIMn形狀記憶合金。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)如下：
[0014] 銅基形狀記憶合金易發(fā)生沿晶斷裂主要是由其過(guò)于粗大的晶粒所造成的，針對(duì)這 一難題，本發(fā)明實(shí)施了銅基形狀記憶合金的晶粒細(xì)化，采取了以下綜合的措施：
[0015] (1)為了使孕育劑具有更佳的細(xì)化效果，本發(fā)明方法在孕育劑使用前進(jìn)行了破碎 處理，從而使得孕育劑在CuAIMn形狀記憶合金熔體中更易分散均勻。
[0016] (2)為了保證Cu51Zn4能夠作為有效的孕育劑而使得CuAIMn形狀記憶合金的晶粒 得到顯著細(xì)化，本發(fā)明方法刻意降低澆注溫度，使之保持在1090~1100°C之間。在此溫度區(qū) 間內(nèi)，既能使得Cu5iZri4孕育劑在CuAIMn形狀記憶合金恪體中分散均勾，又能保證Cu5iZri4孕 育劑不會(huì)熔化。
[0017] (3)為了在通過(guò)細(xì)化晶粒而顯著提高CuAIMn形狀記憶合金的力學(xué)性能的同時(shí)，亦 進(jìn)一步提高其低溫區(qū)的阻尼性能，而將晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金樣品在淬火后重 新升溫至330~360°C并保溫15~20分鐘后水冷。如此處理以后，CuAIMn形狀記憶合金內(nèi)部 具有恰當(dāng)尺寸的孿晶，使得該合金在低溫區(qū)由于孿晶界面的滑移耗能而具有高的阻尼本 領(lǐng);該種處理工藝同時(shí)亦會(huì)使得CuAIMn形狀記憶合金內(nèi)部淬火空位的濃度顯著降低，從而 使得該合金的阻尼性能更加穩(wěn)定，發(fā)生馬氏體穩(wěn)定化的傾向更小。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的顯著進(jìn)步如下：
[0019] (1)本發(fā)明方法系依據(jù)待細(xì)化合金的晶體結(jié)構(gòu)特征而首先將所添加合金元素按固 定配比制成特定孕育劑后，再在特定溫度下加入到熔融態(tài)的銅基形狀記憶合金中，這有別 于熔煉銅基形狀記憶合金時(shí)同時(shí)加入合金元素的方法，從而使得本發(fā)明方法較之普通的元 素添加法具有更為明顯的晶粒細(xì)化效果。
[0020] (2)本發(fā)明方法的工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
[0021 ]本發(fā)明方法也適用于其他銅基形狀記憶合金晶粒的細(xì)化。
【附圖說(shuō)明】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例4-9制得的具不同晶粒尺寸CuAIMn形狀記憶合金的微觀形貌 的掃描電鏡照片，其中：
[0024] 圖1 (a)為實(shí)施例4-對(duì)比實(shí)施例未加入Cu51Zm孕育劑；
[0025] 圖1(b)為實(shí)施例5的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.4%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0026] 圖1(c)為實(shí)施例6的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.5%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0027] 圖1(d)為實(shí)施例7的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.7%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0028] 圖1(e)為實(shí)施例8的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.9%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0029] 圖1(f)為實(shí)施例9的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量1.0%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例4-9制得的具不同晶粒尺寸CuAIMn形狀記憶合金的拉伸斷口 形貌的掃描電鏡照片，其中：
[0031] 圖2(a)為實(shí)施例4-對(duì)比實(shí)施例未加入Cu51Zn4孕育劑；
[0032] 圖2(b)為實(shí)施例5的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.4%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0033] 圖2(c)為實(shí)施例6的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.5%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0034] 圖2(d)為實(shí)施例7的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.7%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0035] 圖2(e)為實(shí)施例8的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量0.9%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
[0036] 圖2(f)為實(shí)施例9的投入該銅基形狀記憶合金總質(zhì)量1.0%的第一步所制得的粉 碎處理后的孕育劑Cu51Zn4 ;
【具體實(shí)施方式】 [0037] 實(shí)施例1
[0038] 第一步，制備孕育劑Cu51Zn4:
[0039 ]按CU51 Zr 14所示成分的原子數(shù)比為Cu: Zr = 51:14，分別稱(chēng)取所需質(zhì)量的原料純Cu 和純Zr進(jìn)行配料，然后放入非自耗型真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X l(T3Pa后開(kāi)始通電并起弧 熔煉，待配料全部熔化后澆注，為保證合金成分的均勻性，將澆注得到的合金翻置后在與上 述同樣條件下重新熔煉，如此重復(fù)3次后制得Cu 51Zr14孕育劑，然后對(duì)所制得的孕育劑 Cu5iZri4進(jìn)行粉碎處理，待用；
[0040]第二步，CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化：
[00411取所需質(zhì)量的成分配比為Cu-11.9%Al-2.5%Mn的銅基形狀記憶合金置于中頻感 應(yīng)電爐內(nèi)熔化，然后移至井式坩堝爐內(nèi)，并于1090°C保溫8分鐘后投入該銅基形狀記憶合金 總質(zhì)量0.1 %的第一步所制得的粉碎處理后的孕育劑Cu51Zr14,攪拌10秒鐘并撇渣后澆入鋼 制模具中，由此完成CuAIMn形狀記憶合金晶粒的細(xì)化，上述百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；
[0042]第三步，晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金的熱處理：
[0043] 將第二步制得的晶粒細(xì)化后的CuAIMn形狀記憶合金升溫至860°C并保溫15分鐘后 投入室溫的水中淬火，然后以8°C/分鐘的速率重新升溫至330°C并保溫20分鐘后投入室溫 的水中，完成熱處理，由此制得具有良好綜合性能的CuAIMn形狀記憶合金。
[0044] 實(shí)施例2
[0045] 第一步，制備孕育劑Cu51Zn4:
[0046] 按Cu5i Zr 14所示成分的原子數(shù)比為Cu: Zr = 51:14，分別稱(chēng)取所需質(zhì)量的原