兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]開發(fā)高性能的機(jī)械能存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換器件，要求所用金屬材料需兼具線性超彈和高強(qiáng)度的特性。而傳統(tǒng)塊體金屬材料的彈性變形極限通常小于I%，其遠(yuǎn)不能滿足要求。盡管超彈態(tài)TiNi形狀記憶合金具有約8%的超彈性變形，但是其超彈性變形為非線性，其大大降低了機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率，且使得精確控制器件的變形十分困難。CN101805843A公開了一種NbTi納米纖維增強(qiáng)TiNi形狀記憶合金的復(fù)合材料，其是在超彈態(tài)TiNi形狀記憶合金中植入高強(qiáng)度的NbTi納米纖維，以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度；因?yàn)樵诶旒?卸載變形過程中，超彈態(tài)TiNi形狀記憶合金發(fā)生了正-逆應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，耗散了機(jī)械能，所以在該復(fù)合材料的拉伸加-卸載曲線中存在一個(gè)較大的滯后環(huán)，使得該復(fù)合材料不具有線性超彈特性。因此，如何獲得一種兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬?gòu)?fù)合材料，仍是本領(lǐng)域目前亟待解決的問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬?gòu)?fù)合材料。該復(fù)合材料通過納米尺度Nb相與NiTi基體相復(fù)合，得到一種原位自生的Nb/NiTi納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料兼具線性超彈和高強(qiáng)度的特性。
[0004]本發(fā)明的目的還在于提供一種兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料的制備方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料為Nb/NiTi納米復(fù)合材料，其包括納米尺度Nb相與NiTi基體相，以該復(fù)合材料的總量計(jì)，其包括以下成分:原子百分比為7-15%的Nb元素，以及原子比為(0.8:1)-(1.2:1)的Ti元素和Ni元素，T1、Ni和Nb三種元素的原子百分?jǐn)?shù)之和為100%。
[0006]本發(fā)明提供的兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料由納米尺度Nb相和NiTi基體相組成，納米尺度Nb相中含有少量的Ti和Ni，NiTi相中含有少量的Nb。在本發(fā)明的具體技術(shù)方式中，該復(fù)合材料是以T1、N1、Nb金屬單質(zhì)為原料，通過熔煉、塑性加工、退火處理及適度冷變形制備獲得。
[0007]在上述的復(fù)合材料中，優(yōu)選地，所述納米尺度Nb相為帶狀或片狀；所述NiTi基體由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，優(yōu)選地，該復(fù)合材料為絲材或板材。該復(fù)合材料為絲材時(shí)，所述納米尺度Nb相為帶狀，其厚度為5-50納米，寬度為20-200納米；該復(fù)合材料為板材時(shí)，所述納米尺度Nb相為片狀，其厚度為20-200納米。
[0009]本發(fā)明還提供了上述的兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟:
[0010]按照所述兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料的成分配比選取純度在99wt.%以上的單質(zhì)镲、鈦、銀；
[0011]將選取的單質(zhì)鎳、鈦、鈮放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行澆鑄，得到具有亞共晶組織的Nb/NiTi鑄錠；
[0012]在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護(hù)中對(duì)該鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理；
[0013]將退火處理后的鑄錠進(jìn)行熱鍛成型；
[0014]對(duì)熱鍛后的型材進(jìn)行塑性加工、退火處理及冷變形，得到所述的兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料。
[0015]在熔煉過程中，Nb相會(huì)以原位自生的方式形成于NiTi基體中，獲得具有亞共晶組織的Nb/NiTi鑄錠。T1、Ni的原子比控制在(0.8:1)-(1.2:1)的特定比例，并使其余均為Nb元素，T1、N1、Nb三種元素的原子百分比之和為100%，能夠使得到的鑄錠具有高的塑性變形能力。
[0016]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理的溫度為800_1000°C，時(shí)間為5-50小時(shí)，以改善鑄錠的組織狀態(tài)并利于后續(xù)塑性加工。
[0017]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對(duì)退火處理后的鑄錠進(jìn)行熱鍛的溫度為800-1000°C，以提高熱鍛后得到的型材的性能。
[0018]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述塑性加工包括:對(duì)熱鍛后的型材進(jìn)行熱軋(熱軋后可以進(jìn)行退火處理)，和/或重復(fù)進(jìn)行冷軋和再結(jié)晶退火，得到板材；或者對(duì)熱鍛后的型材進(jìn)行熱拔(熱拔后可以進(jìn)行退火處理)，和/或重復(fù)進(jìn)行冷拔和再結(jié)晶退火，得到絲材。其中，所采用的各種設(shè)備和具體的工藝方法均是塑性加工領(lǐng)域常用的設(shè)備和方法；為得到不同的型材而對(duì)工藝參數(shù)和工藝步驟等進(jìn)行的各種調(diào)整和控制均可以根據(jù)本領(lǐng)域通常采用的工藝方案進(jìn)行。
[0019]在熱鍛后的型材中，Nb相呈現(xiàn)為亞微米尺度的顆粒狀(或球狀)，通過對(duì)熱鍛后的型材進(jìn)行塑性加工，可以使顆粒狀Nb相的尺寸減小，形狀發(fā)生變化。例如熱鍛后的型材經(jīng)過熱拔或冷拔工藝，可以得到Nb納米帶均勻分布于NiTi基體的復(fù)合材料絲材；熱鍛后的型材經(jīng)過熱軋或冷軋工藝，可以得到Nb納米片均勻分布于NiTi基體的復(fù)合材料板材。
[0020]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對(duì)經(jīng)塑性加工后的型材進(jìn)行的退火處理是在真空度高于KT1Pa的真空中或惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行的，退火溫度為400-600°C，退火時(shí)間為10-120分鐘，以使塑性加工后得到的型材(絲材或板材)具有一定的塑性變形能力。
[0021]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述冷變形包括:對(duì)經(jīng)塑性加工和退火處理后的型材進(jìn)行單軸拉伸變形，變形量為10-20% ;或者對(duì)經(jīng)塑性加工和退火處理后的型材進(jìn)行冷軋變形，變形量為10-20%。
[0022]在本發(fā)明的制備方法中，將塑性加工和退火處理后的型材(絲材或板材)進(jìn)一步進(jìn)行適度的冷變形，在經(jīng)冷變形處理后的復(fù)合材料中，NiTi基體由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成?？梢缘玫郊{米尺度Nb相(納米帶或納米片)均勾分布于NiTi基體(由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成)的復(fù)合材材料絲材或板材。
[0023]在本發(fā)明中，經(jīng)熱鍛、拔絲、退火和單軸拉伸冷變形處理后，可以得到由Nb納米帶和NiTi基體(由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成)構(gòu)成的復(fù)合材料絲材；采用熱鍛、乳制、退火和冷軋變形處理后可以得到由Nb納米片和NiTi基體(由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成)構(gòu)成的復(fù)合材料板材。本發(fā)明提供的復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到1.4GPa以上，線彈性變形極限達(dá)到3.5%以上。由此可以看出，本發(fā)明提供的金屬納米復(fù)合材料兼具了線性超彈和高強(qiáng)度的特性。
[0024]另外，本發(fā)明所提供的復(fù)合材料的塑性和韌性也較好，塑性加工得到的板材的厚度可以達(dá)到0.2mm以下，絲材的直徑最小可以達(dá)到0.1mm以下，可以滿足不同領(lǐng)域?qū)€性超彈和高強(qiáng)度復(fù)合材料的需求。
【附圖說明】
[0025]圖1是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材縱截面的透射電鏡明場(chǎng)像照片；
[0026]圖2是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材橫截面的透射電鏡高角度環(huán)形暗場(chǎng)像照片；
[0027]圖3是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材的一維高能X射線衍射譜；
[0028]圖4是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材的二維高能X射線衍射譜；
[0029]圖5是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材的NiTi基體的(2-10)晶面、(1-21)晶面和
(001)晶面在其二維高能X射線衍射譜(圖4)中沿著衍射環(huán)不同角度的衍射強(qiáng)度的分布圖；
[0030]圖6是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材室在溫下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
[0031]圖7是實(shí)施例1提供的復(fù)合材料絲材在室溫下的多次拉伸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
[0032]圖8是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料板材縱截面的掃描電鏡背散射電子像照片；
[0033]圖9是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料板材橫截面的掃描電鏡背散射電子像照片；
[0034]圖10是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料板材的二維高能X射線衍射譜；
[0035]圖11是實(shí)施例2提供的復(fù)合材料板材在室溫下的拉伸加-卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0037]本發(fā)明提供的兼具線性超彈和高強(qiáng)度的金屬納米復(fù)合材料的制備方法包括以下具體步驟:
[0038](I)按復(fù)合材料成分配比選取純度為99wt.%以上的銀，純度為99wt.%以上的鈦，純度為99wt.%以上的镲；
[0039](2)將上述復(fù)合材料組分放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中，熔煉并澆鑄后得到具有亞共晶組織的Nb/NiTi鑄錠；
[0040](3)在真空爐內(nèi)(極限真空度為6.0X I(T4Pa)，在800-1000°C (優(yōu)選為950°C)下對(duì)鑄錠進(jìn)行5-50小時(shí)(優(yōu)選為10小時(shí))的均勻化退火處理；
[0041](4)將均勻化退火處理后的鑄錠在800-1000°C (優(yōu)選為850°C )下熱鍛成棒狀或餅狀的型材；
[0042](5)對(duì)熱鍛后得到的棒狀或餅狀的型材進(jìn)行塑性加工，得到所需要尺寸的絲材或板材；
[0043](6)對(duì)塑性加工后得到的絲材或板材進(jìn)行再結(jié)晶退火處理，其退火溫度可以控制為400-600°C，退火時(shí)間可以控制為10-120分鐘；
[0044](7)對(duì)退火處理后的絲材或板材進(jìn)一步進(jìn)行適度的冷變形處理，其包括單軸拉伸變形，變形量可以控制為10-2