本發(fā)明屬于合金材料領域，涉及一種形狀記憶合金材料及其在管接頭上的應用，具體涉及一種析出強化型鐵基形狀記憶合金材料成分和制備方法以及析出強化型鐵基形狀記憶合金管接頭的加工和熱處理工藝。
背景技術：
：管接頭是管道與管道之間的連接工具，是元件和管道之間可以拆裝的連接點。常規(guī)的管接頭的連接形式主要是承插焊或螺紋連接。管接頭部位通常是整體管道系統(tǒng)較為薄弱的部位，由于結構及加工工藝復雜，常常會出現(xiàn)螺紋密封不佳、焊縫腐蝕等問題，此外在特殊的場合安裝也不太便利，對整體管路的安全運行和施工操作帶來諸多不便。形狀記憶合金是最近幾十年發(fā)展的一種力學功能材料，具有形狀記憶效應和超彈性，被用于開發(fā)成各種工業(yè)產品，其中一項重要的應用便是形狀記憶合金管接頭。其最大的特色便是安裝方便、使用安全可靠。目前，形狀記憶合金管接頭的應用已經有了很多例子，比如美國軍機F-14，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機上應用Ni-Ti基SMA管接頭超過3萬件，未出現(xiàn)一起漏油事件。形狀記憶合金管接頭還應用在如航空液壓管路、深海石油、天然氣管道等場合。形狀記憶合金種類眾多，而用于管接頭應用的形狀記憶合金必須具備幾個條件：1)相變溫度的控制：馬氏體相變熱滯(馬氏體相變與逆轉變溫度差)要大，特別是逆相變溫度要大于使用溫度(室溫)；2)形狀記憶效應回復力要大，提高管口結合力；3)耐腐蝕性能好，在特殊環(huán)境下能夠保持良好的穩(wěn)定性。目前商業(yè)開發(fā)的形狀記憶合金管接頭主要有三類：TiNiNb，CuZnAl和FeMnSi系形狀記憶合金。TiNiNb形狀記憶合金管接頭的可回復應變與回復力大，抗腐蝕能力強，強度高，存儲、運輸方便，在戰(zhàn)斗機油路、核電管道等方面用途較廣，但是加工成本極高，價格昂貴。CuZnAl管接頭的成本較低，但是強度低，可回復應變低，回復力小，抗疲勞性能和抗腐蝕性能差。FeMnSi管接頭原材料便宜，機械性能好，加工容易，相變滯后寬，但是抗腐蝕性能差，可回復應變與回復力都較小。技術實現(xiàn)要素：鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種形狀記憶合金材料及其在管接頭上的應用，通過一種形狀記憶合金材料能夠制備出具有高強度、寬使用溫度范圍、抗腐 蝕能力好、高回復率和回復力的析出強化型鐵基形狀記憶合金管接頭。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種形狀記憶合金材料，由以下質量百分比的元素組成：鎳(Ni)：25-33％；鈷(Co)：8-20％；鈦(Ti)：3-6％；鈮(Nb)：0.2-1.5％；余量為鐵(Fe)。優(yōu)選地，所述一種形狀記憶合金材料，由以下質量百分比的元素組成：鎳(Ni)：25-33％；鈷(Co)：8-20％；鈦(Ti)：3-6％；鈮(Nb)：0.2-1.5％；鐵(Fe)：39.5-63.8％。優(yōu)選地，所述形狀記憶合金材料為析出強化型鐵基形狀記憶合金材料。所述析出強化是強化方式的一種，通過時效熱處理，使合金基體某些元素局部偏聚、有序化，從而出現(xiàn)沉淀顆粒，比如說本合金中會析出納米尺度的Ni3(TiNb)顆粒。這種顆粒析出相的性質與金屬不同，具有金屬間化合物性質，與基體間的模量差異很大，能夠大幅度的提高合金的強度、硬度等力學性能指標。本發(fā)明第二方面提供一種形狀記憶合金材料的制備方法，包括以下步驟：1)將合金材料中各元素組分按配比加入后，采用真空感應熔煉技術進行熔煉；優(yōu)選地，所述鈮元素是通過加入鈮鐵來調配。所述鈮鐵是指鐵妮合金。由于單質鈮熔點過高，不宜用于熔煉，因此必須用鐵鈮作為中間合金進行熔煉。目前，市場上有多種牌號的鈮鐵，其中包含不同的鈮含量，比如鐵鈮50，含鈮量為50％左右，因此需要根據(jù)加入的鈮鐵中實際含鈮量進行換算，獲得所需加入的鈮鐵含量。優(yōu)選地，所述真空感應熔煉技術是指一種在真空條件下利用電磁感應加熱原理來熔煉金屬的金屬工藝制程。其在電磁感應過程中會產生渦電流，使金屬熔化。優(yōu)選地，所述熔煉在真空熱處理爐中進行。優(yōu)選地，所述熔煉前需要進行抽真空或加入保護氣體。更優(yōu)選地，所述抽真空時，真空度大于等于8×10-3Pa。更優(yōu)選地，所述保護氣體為惰性氣體。所述惰性氣體選自高純氬氣、高純氮氣中的任意一種。優(yōu)選地，所述熔煉溫度為1500±100℃。2)合金熔化后，攪拌均勻，澆注成型；優(yōu)選地，所述攪拌均勻是通過電磁攪拌進行均勻化。3)將步驟2)中獲得的成型鑄件塊體進行熱軋?zhí)幚?，然后進行固溶化處理并淬火，即得形狀記憶合金材料。優(yōu)選地，所述熱軋?zhí)幚淼臏囟葹?000±100℃。所述熱軋?zhí)幚砟軌蛉コT造缺陷。優(yōu)選地，所述固溶化處理的溫度為1100±50℃。優(yōu)選地，所述淬火采用水淬方式進行。本發(fā)明第三方面提供一種形狀記憶合金材料在管接頭上的應用。本發(fā)明第四方面提供一種形狀記憶合金管接頭的制備方法，包括以下步驟：A)將制備獲得的形狀記憶合金材料進行冷拉拔處理，得到管材；所述冷拉拔處理是工業(yè)中較為常見的管材加工工藝。由于本發(fā)明中所述鐵基形狀記憶合金在固溶態(tài)下變形能力強，具有非常良好的冷加工性能，因此適合使用管材冷拉拔工藝成型。所述管材的直徑可以根據(jù)使用要求設計確定，但是需要預留一定的尺寸余量。B)再進行退火處理后，淬火至室溫；優(yōu)選地，所述退火處理的條件為：溫度：1100±50℃；時間：0.5～2小時。優(yōu)選地，所述淬火采用水淬方式進行。C)最后進行時效熱處理，即獲得所需形狀記憶合金管接頭。優(yōu)選地，所述時效熱處理的條件為：溫度：550～750℃；時間：0.5～24小時。優(yōu)選地，所述時效熱處理后要進行淬火。所述淬火采用水淬方式進行。所述時效熱處理是指通過時效溫度和時間控制析出相的狀態(tài)，優(yōu)化鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的相變溫度、回復力和強度性能。本發(fā)明中通過原位電阻法研究了鐵鎳鈷鈦鈮合金的析出動力學，發(fā)現(xiàn)當時效溫度為550～750度之間時，合金發(fā)生析出強化行為，時效溫度越低，則需要的時效時間越長，時效時間在0.5小時到24小時不等，在合適的時效時間內，合金的強度和相變溫度范圍可以調整到最佳狀態(tài)。如上所述，本發(fā)明的一種形狀記憶合金材料及其在管接頭上的應用，通過制備一種形狀記憶合金材料以及由該種形狀記憶合金材料加工而成的形狀記憶合金管接頭，具有高強度、寬使用溫度范圍、抗腐蝕能力好、高回復率和回復力。該種析出強化型鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭，通過熱處理調控析出相狀態(tài)，可以在較大溫度范圍內控制形狀合金的馬氏體相變溫度和熱滯，隨著時效時間的延長，馬氏體相變溫度從-200℃升高到室溫以上，相變熱滯從300℃降低到最低的20℃左右，然后又升高至200℃左右。同時，該種形狀記憶合金管接頭具有較高的強度，其強度可達到約1800MPa。此外，其回復應變達到4％～5％之間，同時回復力達到700MPa～1200MPa之間，顯著高于目前商用的3款形狀記憶合金管接頭，加工性能優(yōu)異。而且，合金中含有相當含量的鎳和鈦，因此抗腐蝕能力也十分突出?？梢?，該種 析出強化型鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭性能優(yōu)異，并具有安裝方便、使用安全可靠、密封性能良好的特點，在航天、核電、石油化工等領域應用潛力巨大，非常值得推廣應用。附圖說明圖1顯示為本發(fā)明的形狀記憶合金管接頭加工工藝過程示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。以下實施例使用的試劑及裝置如下：1、試劑鎳、鈷、鈦、鐵、鈮酸(純度99.9％、購自北京翠柏林有色金屬技術開發(fā)公司)2、裝置CX-RL1501型真空熱處理爐、CX-ZK1600型真空熱處理爐(上海晨曦熱處理設備有限公司)；DC-50型管材冷拉拔加工設備(深圳東辰興業(yè)機械有限公司)實施例1鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：30.5％；鈷：9.3％；鈦：3.7％；鈮：0.5％；其余為鐵；具體數(shù)據(jù)見表1。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝為：將鐵、鎳、鈷、鈦和鈮鐵五種配料按照配方要求進行配制，并通過真空感應熔煉技術進行熔煉。熔煉之前先抽真空至3×10-3Pa。合金的熔煉溫度為1500℃左右，合金熔化后通過電磁攪拌均勻化，然后澆注到石墨模具中成型。獲得的鑄件塊體進行在1000℃進行熱軋?zhí)幚?，然后?100℃進行固溶化處理并淬火，獲得鐵鎳鈷鈦鈮固溶體合金母材。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝為：將制備獲得的鐵鎳鈷鈦鈮固溶體母材合金進行冷加工拉拔處理，得到內徑為19.8mm，厚度為1mm的管材。隨后在1100℃進行退火處理，去除冷加工過程中的殘余應力，并使晶粒長大，退火處理1小時，然后淬火至室溫， 管徑略微收縮，通過機加工得到精密的尺寸。最后在真空熱處理爐中進行時效熱處理，時效溫度為600℃，時效時間為10小時，合金的馬氏體相變開始溫度在-85℃，逆相變完成溫度在60℃左右。此時得到鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭樣品，在室溫下機械擴張5％，使內徑達到20.8mm左右。將該形狀記憶合金管接頭套在兩根外徑20mm的金屬管對接處，對管接頭進行升溫處理，升溫至60℃以上，管接頭發(fā)揮緊固作用，對兩根外徑20mm的金屬管道實現(xiàn)緊密連接，密封性能良好。實施例2鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：32.8％；鈷：10.4％；鈦：4.2％；鈮：1.1％；其余為鐵；具體數(shù)據(jù)見表1。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝為：將鐵、鎳、鈷、鈦和鈮鐵五種配料按照配方要求進行配制，并通過真空感應熔煉技術進行熔煉。熔煉之前先抽真空至3×10-3Pa，然后充入氬氣至0.6個大氣壓，升溫開始熔煉。合金的熔煉溫度為1500℃左右，合金熔化后通過電磁攪拌均勻化，然后澆注到石墨模具中成型。獲得的鑄件塊體進行在1000℃進行熱軋?zhí)幚?，然后?100℃進行固溶化處理并淬火，獲得鐵鎳鈷鈦鈮固溶體合金母材。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝為：將制備工藝中獲得的鐵鎳鈷鈦鈮固溶體母材合金進行冷加工拉拔處理，得到內徑為19.7mm，厚度為1mm的管材。隨后在1100℃進行退火處理，去除冷加工過程中的殘余應力，并使晶粒長大，退火處理1.5小時，然后淬火至室溫，管徑略微收縮，通過機加工得到精密的尺寸。最后在真空熱處理爐中進行時效熱處理，時效溫度為650℃，時效時間為5小時，合金的馬氏體相變開始溫度在-60℃，逆相變完成溫度在140℃左右。此時得到鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭樣品，在室溫下機械擴張4.5％，使內徑達到20.5mm左右。將該形狀記憶合金管接頭套在兩根外徑20mm的金屬管對接處，對管接頭進行升溫處理，升溫至140℃以上，管接頭發(fā)揮緊固作用，對兩根外徑20mm的金屬管道實現(xiàn)緊密連接，密封性能良好。實施例3鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：28.3％；鈷：13.9％；鈦：3.2％；鈮：1.3％；其余為鐵；具體數(shù)據(jù)見表1。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝為：將鐵、鎳、鈷、鈦和鈮鐵五種配料按照配 方要求進行配制，并通過真空感應熔煉技術進行熔煉。熔煉之前先抽真空至2×10-3Pa，升溫開始熔煉。合金的熔煉溫度為1500℃左右，合金熔化后通過電磁攪拌均勻化，然后澆注到石墨模具中成型。獲得的鑄件塊體進行在1000℃進行熱軋?zhí)幚?，然后?100℃進行固溶化處理并淬火，獲得鐵鎳鈷鈦鈮固溶體合金母材。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝為：將制備工藝中獲得的鐵鎳鈷鈦鈮固溶體母材合金進行冷加工拉拔處理，得到內徑為19.8mm，厚度為1mm的管材。隨后在1100℃進行退火處理，去除冷加工過程中的殘余應力，并使晶粒長大，退火處理2小時，然后淬火至室溫，管徑略微收縮，通過機加工得到精密的尺寸。最后在真空熱處理爐中進行時效熱處理，時效溫度為580℃，時效時間為20小時，合金的馬氏體相變開始溫度在-80℃，逆相變完成溫度在50℃左右。此時得到鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭樣品，在室溫下機械擴張4.5％，使內徑達到20.7mm左右。將該形狀記憶合金管接頭套在兩根外徑20mm的金屬管對接處，對管接頭進行升溫處理，升溫至50℃以上，管接頭發(fā)揮緊固作用，對兩根外徑20mm的金屬管道實現(xiàn)緊密連接，密封性能良好。實施例4鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：31.8％；鈷：10.3％；鈦：3.8％；鈮：0.6％；其余為鐵；具體數(shù)據(jù)見表1。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝為：將鐵、鎳、鈷、鈦和鈮鐵五種配料按照配方要求進行配制，并通過真空感應熔煉技術進行熔煉。熔煉之前先抽真空至3×10-3Pa，然后充入氬氣至0.6個大氣壓，升溫開始熔煉。合金的熔煉溫度為1500℃左右，合金熔化后通過電磁攪拌均勻化，然后澆注到石墨模具中成型。獲得的鑄件塊體進行在1000℃進行熱軋?zhí)幚恚缓笤?100℃進行固溶化處理并淬火，獲得鐵鎳鈷鈦鈮固溶體合金母材。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝為：將制備工藝中獲得的鐵鎳鈷鈦鈮固溶體母材合金進行冷加工拉拔處理，得到內徑為19.7mm，厚度為1mm的管材。隨后在1100℃進行退火處理，去除冷加工過程中的殘余應力，并使晶粒長大，退火處理1.5小時，然后淬火至室溫，管徑略微收縮，通過機加工得到精密的尺寸。最后在真空熱處理爐中進行時效熱處理，時效溫度為700℃，時效時間為2小時，合金的馬氏體相變開始溫度在-20℃，逆相變完成溫度在150℃左右。此時得到鐵鎳鈷鈦形狀記憶合金管接頭樣品，在室溫下機械擴張4.1％，使內徑達到 20.5mm左右。將該形狀記憶合金管接頭套在兩根外徑20mm的金屬管對接處，對管接頭進行升溫處理，升溫至150℃以上，管接頭發(fā)揮緊固作用，對兩根外徑20mm的金屬管道實現(xiàn)緊密連接，密封性能良好。表1實施例1-4組分配方表(質量百分比)元素名稱實施例1(％)實施例2(％)實施例3(％)實施例4(％)鎳(Ni)30.532.828.331.8鈷(Co)9.310.413.910.3鈦(Ti)3.74.23.23.8鈮(Nb)0.51.11.30.6鐵(Fe)余量余量余量余量實施例5將實施例1-4中制備的鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭進行相關性能測試，其結果如表2所示。表2形狀記憶合金管接頭性能測試表由上表2可知，本實施例1-4中制備的鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的強度和回復力都很大，超過同類產品的水平；可回復應變大，達到TiNiNb合金的水平；同時，具有寬使用溫度范圍，穩(wěn)定性好；抗腐蝕能力強，加工性能好，便于推廣。實施例6鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：25％；鈷：20％；鈦：3％；鈮：1.5％；其余為鐵。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝和鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝同實施例1。其制備的鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭具有高強度、寬使用溫度范圍、抗腐蝕能力好、高回復率和回復力，并且安裝方便、使用安全可靠、密封性能良好。實施例7鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的配方如下：鎳：33％；鈷：8％；鈦：6％；鈮：0.2％；其余為鐵。鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金材料的制備工藝和鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭的制備工藝同實施例1。其制備的鐵鎳鈷鈦鈮形狀記憶合金管接頭具有高強度、寬使用溫度范圍、抗腐蝕能力好、高回復率和回復力，并且安裝方便、使用安全可靠、密封性能良好。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術領域：
中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。當前第1頁1 2 3