專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，通過(guò)在鈦鋯合金中添加鐵元素可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整合金的馬氏體相變溫度。
背景技術(shù)：
以TiNi基合金為代表的形狀記憶合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性等功能，由其制成的驅(qū)動(dòng)和控制器件可以輸出較大的應(yīng)力和應(yīng)變，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和生活等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
二元TiZr合金的馬氏體相變溫度隨成分不同在600℃～880℃范圍內(nèi)變化。以二元TiZr合金為基礎(chǔ)，通過(guò)添加高純度Fe元素可以在較大范圍內(nèi)0℃～880℃調(diào)節(jié)合金的馬氏體相變溫度，從而制成具有良好記憶效應(yīng)的鈦鋯鐵形狀記憶合金。這種合金的應(yīng)用背景如下一方面，可以作為相變溫度高于100℃的高溫形狀記憶合金應(yīng)用，與目前典型的高溫形狀記憶合金TiNiPd相比，成本優(yōu)勢(shì)明顯；另一方面，由于不含Ni元素(有生物毒性)，作為生物醫(yī)用材料具有比TiNi形狀記憶合金更好的生物相容性。所以，該合金是一種低成本，生物相容性好的形狀記憶材料，在航空航天和生物醫(yī)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種TiZrFe形狀記憶合金材料，通過(guò)控制Fe元素的含量來(lái)調(diào)節(jié)合金的馬氏體相變溫度。一方面，TiZrFe形狀記憶合金可以作為相變溫度高于100℃的高溫形狀記憶合金應(yīng)用；另一方面，也可以作為生物醫(yī)用材料替代TiNi形狀記憶合金，避免Ni元素溶出對(duì)人體安全的危害。
本發(fā)明的一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，由40at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～55at％的鋯(Zr)和0.2at％～5at％的鐵(Fe)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其組份為T(mén)i50Zr49Fe1或者Ti44Zr52Fe4。
所述的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其相變溫度在0℃～600℃；在室溫下屈服強(qiáng)度為150MPa～300MPa，變形率大于等于12％，形狀記憶效應(yīng)大于1.10％。
本發(fā)明的一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱(chēng)取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鋯(Zr)和純度為99.9％的鐵(Fe)；(2)將上述稱(chēng)取的鈦、鋯、鐵原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiZrFe形狀記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiZrFe形狀記憶合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫1～2小時(shí)后，水中淬火，即得到Ti40～60Zr40～55Fe0.2～5形狀記憶合金材料。
本發(fā)明TiZrFe形狀記憶合金材料的優(yōu)點(diǎn)在TiZr合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加高純度Fe元素來(lái)調(diào)節(jié)合金的相變溫度。這類(lèi)合金相變溫度在0℃～600℃；在室溫下屈服強(qiáng)度為150MPa～300MPa，變形率大于等于12％，形狀記憶效應(yīng)大于1.10％。


圖1是Ti50Zr49Fe1合金材料在室溫的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖。
圖2是Ti50Zr49Fe1合金材料的馬氏體相變溫度變化圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，由40at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～55at％的鋯(Zr)和0.2at％～5at％的鐵(Fe)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明鈦鎳鋁高溫合金材料的制備方法和步驟如下(1)按配比稱(chēng)取純度為99.9％的鈦、純度為99.9％的鋯和純度為99.9％的鐵；(2)將上述鈦、鋯和鐵原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiZrFe形狀記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiZrFe形狀記憶合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫1～2小時(shí)后，水中淬火，即得到本發(fā)明要求的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的鈦鋯鐵形狀記憶合金中切取尺寸為1×1×3mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量馬氏體相變溫度；切取直徑d＝5mm，高度h＝8mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮壓力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，溫度為室溫。壓縮到不同預(yù)應(yīng)變后，加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，冷卻到室溫后測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，取其中最大值即為形狀記憶效應(yīng)。鈦鋯鐵合金材料的性能參數(shù)如下表所示

本發(fā)明的Ti40～60Zr40～55Fe0.2～5形狀記憶合金材料與二元TiZr合金材料相比，相變點(diǎn)可以在0℃～600℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，使其更接近于生物醫(yī)用或者高溫使用的溫度條件，比TiNi記憶合金生物醫(yī)用相容性更好。
實(shí)施例1制Ti50Zr49Fe1合金材料(1)稱(chēng)取50at％純度為99.9％的鈦、49at％純度為99.9％的鋯和1at％純度為99.9％的鐵；(2)將上述鈦、鋯和鐵塊狀原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1800℃以上熔煉成TiZrFe形狀記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiZrFe形狀記憶合金錠材放入的真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度5×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫1小時(shí)后，水中淬火，即得到本發(fā)明要求的Ti50Zr49Fe1形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti50Zr49Fe1合金材料中切取尺寸為1×2×2mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量其馬氏體相變溫度為504℃(參見(jiàn)圖2所示)。切取直徑d＝5mm，高度h＝8mm的圓柱體作為壓縮實(shí)驗(yàn)樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮壓力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，溫度為室溫。其壓縮至12％的應(yīng)力—應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1所示，壓縮屈服強(qiáng)度185MPa。通過(guò)在6％～12％范圍內(nèi)施加不同預(yù)應(yīng)變，然后加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變?yōu)?0％時(shí)得到其最大形狀記憶效應(yīng)為1.12％。
實(shí)施例2制Ti44Zr52Fe4合金材料(1)稱(chēng)取44at％純度為99.9％的鈦、52at％純度為99.9％的鋯和4at％純度為99.9％的鐵；(2)將上述鈦、鋯和鐵塊狀原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2000℃熔煉成TiZrFe形狀記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiZrFe形狀記憶合金錠材放入的真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度5×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫1小時(shí)后，水中淬火，即得到本發(fā)明要求的Ti44Zr52Fe4形狀記憶合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti44Zr52Fe4高溫合金材料中切取尺寸為1×1×3mm3的長(zhǎng)方體作為相變測(cè)試樣品，采用Perkin-Elmer DSC-7型示差掃描量熱分析儀測(cè)量其馬氏體相變溫度為45℃。切取直徑d＝5mm，高度h＝8mm的圓柱體作為壓縮實(shí)驗(yàn)樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮壓力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，溫度為室溫，壓縮屈服強(qiáng)度270MPa。通過(guò)在6％～12％范圍內(nèi)施加不同預(yù)應(yīng)變，然后加熱至相變溫度以上形狀回復(fù)，測(cè)量形狀回復(fù)應(yīng)變，在預(yù)應(yīng)變?yōu)?0％時(shí)得到其形狀記憶效應(yīng)為1.30％。
權(quán)利要求
1.一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其特征在于由40at％～60at％的鈦Ti、40at％～55at％的鋯Zr和0.2at％～5at％的鐵Fe組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其特征在于該鈦鋯鐵形狀記憶合金材料為T(mén)i50Zr49Fe1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其特征在于該鈦鋯鐵形狀記憶合金材料為T(mén)i44Zr52Fe4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，其特征在于該鈦鋯鐵形狀記憶合金材料相變溫度在0℃～600℃；在室溫下屈服強(qiáng)度為150MPa～300MPa，變形率大于12％，形狀記憶效應(yīng)大于1.10％。
5.一種鈦鎳鋁高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按配比稱(chēng)取純度為99.9％的鈦Ti、純度為99.9％的鋯Zr和純度為99.9％的鐵Fe；(2)將上述稱(chēng)取的鈦、鋯、鐵原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiZrFe形狀記憶合金錠材；(3)將上述制得的TiZrFe形狀記憶合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫1～2小時(shí)后，水中淬火，即得到Ti40～60Zr40～55Fe0.2～5形狀記憶合金材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦鋯鐵形狀記憶合金材料，該合金材料由40at％～60at％的鈦Ti、40at％～55at％的鋯Zr和0.2at％～5at％的鐵Fe組成。該合金材料相變溫度在0℃～600℃；在室溫下屈服強(qiáng)度為150MPa～300MPa，變形率大于12％，形狀記憶效應(yīng)大于1.10％。
文檔編號(hào)C22C30/00GK1924051SQ20061011344
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者李巖, 徐惠彬, 崔琰, 于開(kāi)元 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)