一种多晶FeNiCoAlNbV超弹性合金及其制备方法与流程

一种多晶fenicoalnbv超弹性合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种多晶fencoalnbv超弹性合金及其制备方法，属于超弹性合金技术领域。


背景技术：

2.一般情况下，金属材料在外力作用下发生变形，当变形量在弹性阶段内时，卸载后，材料可恢复原始状态；而当变形量大于弹性阶段时，材料发生永久塑性变形，外力去除后，材料无法恢复到变形前的状态，金属材料的弹性应变通常被限制在0.2％左右。然而，有一类特殊的金属材料虽然变形量明显大于其弹性阶段，通过在a
f
点以上对合金进行加载，合金会因发生应力诱发的马氏体相变而产生一定的应变，当载荷卸除时，应变产生回复。这类金属材料称为超弹性合金。
3.作为新型功能材料的一种，相比于其它材料，超弹性合金有许多特殊的功能，例如良好的生物相容性、较好的耐腐蚀性和耐磨性等。因其具有众多的优点，超弹性合金被广泛的应用于电子、机械、航空航天、船舶减震降噪、医疗以及日常生活等领域，具有广阔的研究前景。
4.按照材料的组成分，超弹性合金可分为三类，分别为ti
‑
ni基超弹性合金、cu基超弹性合金以及fe基超弹性合金。其中，ti
‑
ni基超弹性合金的最大可恢复应变能达到8％左右，在工业上具有相对较为成熟的应用，但其加工性能差，冶炼过程复杂，制备成本高，价格昂贵，使得其实际应用受到很大的限制。cu基超弹性合金的最大可恢复应变能达到5％左右，尽管具有优秀的导电导热性能、宽范围内相变温度可调等诸多优点，然而，其性能不稳定、耐蚀性差、强度不高且容易在晶界处脆断，限制了其发展应用。相比ti
‑
ni基和cu基超弹性合金，fe基超弹性合金具有机加工性能优异、原材料资源丰富、价格低廉、力学性能优良等优点，使其具有极大的研究价值。但大多数的多晶fe基超弹性合金一般都不具备超弹性，通过亚稳ni3ti
‑
γ'(l12)的相干析出物强化的fe
‑
ni
‑
co
‑
ti合金只有在
‑
30℃时才能获得超弹性，而且其可恢复应变只有0.7％，远达不到实际生产应用的要求。
5.本发明以fenicoal为基体，开发了fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
v超弹性合金，通过添加nb元素，调控纳米相的析出，与母相形成相干应力场，在一定程度上强化了奥氏体基体，提升了合金的强度和硬度；通过添加不同比例的v元素来减小热滞，增加母相的有序度和强度，提升了马氏体的四方度，使得该超弹性合金在具有高强度的同时还兼具优异的塑性，弥补了超弹性合金在具有高强度条件下塑性差的不足，并有高达5.7％的可回复应变。
6.公开号cn 103509988 a的发明专利申请公开了一种具有超弹性的多晶fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
b形状记忆合金及其制备方法，形状记忆合金的成分为(at.％)，fe
a
ni
b
co
c
al
d
nb
e
b
f
，合金表达式中a、b、c、d、e、f分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：a为30～50，b为28～40，c为10～30，d为8～15，e为1～4，f为0.1～3，a b c d e f＝100。该专利合金表现出了良好的超弹性，在热轧后先进行了固溶，然后水淬，再进行了冷轧，然后进行二次固溶，最后时效，这与本发明的热处理工艺完全不同。本发明的合金热处理工艺为均匀
化、冷轧和时效，从而获得超弹性合金材料，不需要进行固溶处理，工艺条件更加简化，更适合应用于工业生产实践。


技术实现要素：

7.发明目的：针对现有的超弹性合金不能同时兼具高塑性和高强度的问题，本发明提供了一种高塑性高强度的超弹性合金，从而使得其具有较大的应用潜力，并提供一种超弹性合金的制备方法。
8.技术方案：本发明所述的一种高塑性高强度的超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金的表达式为fe
a
ni
b
co
c
al
d
nb
e
v
f
，合金表达式中a,b,c,d,e,f分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为35～60，b为25～50，c为8～35，d为1～20，e为1～5，f为1～5，a b c d e f＝100。
9.该高强度高塑性的超弹性合金的发明原理及成分设计依据如下：
10.发明原理：与其他发明的超弹性合金相比，本发明的超弹性合金在热处理工艺上更加简化，能够更好地应用于工业生产，将熔炼得到的金属铸锭加热到1050～1250℃使铸件均匀化，在该温度下保温1～12h，随后水淬，然后在室温下进行≥90％的大变形量冷轧。再通过调控nb和v元素的含量，提高纳米相析出体积分数，减小热滞，促进热弹性马氏体转变，以获得高塑性和高强度的合金。
11.成分设计依据：该高塑性高强度的超弹性合金选用fe、ni、co、al为基体相元素，这四种元素中fe是fe基超弹性合金的主要元素，ni是影响马氏体相变的重要元素，ni含量的增加可以有效降低马氏体相变温度，从而强化ni3al析出相，而al是有利于形成ni3al析出相的重要合金元素，通过添加co可以有效减少马氏体相变体积，从而减少合金应力集中，提高合金的塑性。nb的添加不仅促进了ni3al相的析出，同时也能细化晶粒，有效提高合金的塑性和硬度。而v元素能有效降低马氏体相变的温度，使其形态从透镜状变为薄片状，这有利于合金超弹性的获得和力学性能的提高。
12.本发明所述的高塑性高强度超弹性合金及其制备方法，包括如下步骤：
13.(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比进行配料，放入真空熔炼炉中，经熔炼、浇铸成合金铸锭；
14.(2)均匀化、冷轧；
15.(3)时效处理。
16.步骤(1)，熔炼及浇铸过程在气体保护中进行，熔炼过程中利用相关搅拌技术使金属溶液混合均匀。
17.步骤(2)，将铸件加热到1050～1250℃，保温1～12h，随后进行水淬，在室温下进行≥90％的大变形量冷轧。
18.步骤(3)，将轧制后的合金在550～700℃下时效处理1～90h。
19.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)通过添加nb元素来强化纳米相的析出，与基体保持共格产生弹性应力场，有利于热弹性马氏体相变的发生；通过添加v元素减小热滞，v元素作为ni基高温合金中的稳定剂，可以稳定γ'相，并促进γ'相析出。(2)本发明的制备方法相比其他超弹性合金的制备，热处理方面进行了优化，均匀化之后进行水冷，保持母相处于高温单相区，然后在室温下进行变形量≥90％的大变形量冷轧，促进
小角度晶界的产生，提高再结晶织构的强度并抑制元素偏聚及β
‑
nial相的形成，随后时效，避免因固溶处理降低再结晶织构的强度。本发明工艺更加简化，过程更加可控，时效时间大幅度减少，容易实现工业化生产。
附图说明
20.图1是实施例1本发明的fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
v合金在600℃下时效21h后的显微组织；
21.图2是实施例1本发明的fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
v合金在600℃下时效21h后在室温下加载
‑
卸载的应力
‑
应变曲线；
22.图3是实施例2本发明的fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
v合金在600℃下时效36h后在室温下加载
‑
卸载的应力
‑
应变曲线；
23.图4实施例2本发明的fe
‑
ni
‑
co
‑
al
‑
nb
‑
v合金在600℃下时效36h后的显微组织。
具体实施方式
24.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
25.本领域的技术人员在理解本发明基本的构思的情形下，可以对这些进行一些显而易见的变化和改动，这些都属于本发明的范围内。本发明的范围仅由权利要求来限定。
26.实施例1
27.选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌、金属钒，合金成分如下(原子百分含量％)：fe＝40.0，ni＝30.0，co＝16.0，al＝10.0，nb＝2.0，v＝2.0。
28.制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材；
29.铸锭加热到1100℃，保温1.5h，随后水淬；
30.在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；
31.将冷轧后的材料在600℃时效21h，然后空冷至室温。
32.实施例2
33.选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属铌、金属钒，合金成分如下(原子百分含量％)：fe＝40.0，ni＝30.0，co＝16.0，al＝10.0，nb＝2.0，v＝2.0。
34.制备方法包括如下步骤：经电弧熔炼，浇铸成合金铸锭；熔炼在氩气保护中进行，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀；利用氩气保护下保护浇铸，铸造成尺寸为20mm直径的棒材。
35.铸锭加热到1100℃，保温1.5h，随后水淬；
36.在室温下将薄板冷轧至厚度为2mm厚的薄板；
37.将冷轧后的材料在600℃时效36h，然后空冷至室温。
38.本发明公开一种多晶fenicoalnbv超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金的表达式为fe
a
ni
b
co
c
al
d
nb
e
v
f
，合金表达式中a,b,c,d,e,f分别表示对应各组元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为35～60，b为25～50，c为8～35，d为1～20，e为1～5，f为1～5，a b c d e f＝100。本发明的超弹性合金在热处理方面进行了优化，均匀化之后直接进行冷轧，然后时效，工艺更加简化，过程更加可控。该超弹性合金通过调整每个组元的含量来调控纳
米沉淀相的析出体积分数，以获得薄片状马氏体，促进热弹性马氏体转变，从而获得高塑性、高强度和大的可回复应变，具有广阔的应用前景。