兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。
【背景技術(shù)】
[0002]開發(fā)高性能的機械能存儲和轉(zhuǎn)換器件，要求所用金屬材料需兼具線性超彈和高強度的特性。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TiNi形狀記憶合金的復合材料，其是在超彈態(tài)TiNi形狀記憶合金中植入高強度的NbTi納米纖維，以提高復合材料的強度；因為在拉伸加-卸載變形過程中，超彈態(tài)TiNi形狀記憶合金發(fā)生了正-逆應力誘發(fā)馬氏體相變，耗散了機械能，所以在該復合材料的拉伸加-卸載曲線中存在一個較大的滯后環(huán)，使得該復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度的金屬復合材料，仍是本領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度的金屬復合材料。該復合材料通過納米尺度Nb相與NiTi基體相復合，得到一種原位自生的Nb/NiTi納米復合材料，該復合材料兼具線性超彈和高強度的特性。
[0004]本發(fā)明的目的還在于提供一種兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料的制備方法。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料，該復合材料為Nb/NiTi納米復合材料，其包括納米尺度Nb相與NiTi基體相，以該復合材料的總量計，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數(shù)之和為100%。
[0006]本發(fā)明提供的兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料由納米尺度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【具體實施方式】，優(yōu)選地，該復合材料為絲材或板材。該復合材料為絲材時，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；該復合材料為板材時，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度的金屬納米復合材料的制備方法，其包括以下步驟:
[0010]按照所述兼具線性超彈和高強度的金屬納米復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或惰性氣體保護的熔煉爐中進行熔煉，然后進行澆鑄，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中對該鑄錠進行均勻化退火處理；
[0013]將退火處理后的鑄錠進行熱鍛成型；
[0014]對熱鍛后的型材進行塑性加工、退火處理及冷變形，得到所述的兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料。
[0015]在熔煉過程中，Nb相會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，對鑄錠進行均勻化退火處理的溫度為800_1000°C，時間為5-50小時，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，對退火處理后的鑄錠進行熱鍛的溫度為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:對熱鍛后的型材進行熱軋(熱軋后可以進行退火處理)，和/或重復進行冷軋和再結(jié)晶退火，得到板材；或者對熱鍛后的型材進行熱拔(熱拔后可以進行退火處理)，和/或重復進行冷拔和再結(jié)晶退火，得到絲材。其中，所采用的各種設備和具體的工藝方法均是塑性加工領域常用的設備和方法；為得到不同的型材而對工藝參數(shù)和工藝步驟等進行的各種調(diào)整和控制均可以根據(jù)本領域通常采用的工藝方案進行。
[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)，通過對熱鍛后的型材進行塑性加工，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基體的復合材料板材。
[0020]在上述的制備方法中，優(yōu)選地，對經(jīng)塑性加工后的型材進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中進行的，退火溫度為400-600°C，退火時間為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:對經(jīng)塑性加工和退火處理后的型材進行單軸拉伸變形，變形量為10-20% ;或者對經(jīng)塑性加工和退火處理后的型材進行冷軋變形，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)進一步進行適度的冷變形，在經(jīng)冷變形處理后的復合材料中，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)成的復合材料板材。本發(fā)明提供的復合材料的屈服強度達到1.4GPa以上，線彈性變形極限達到3.5%以上。由此可以看出，本發(fā)明提供的金屬納米復合材料兼具了線性超彈和高強度的特性。
[0024]另外，本發(fā)明所提供的復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到0.2mm以下，絲材的直徑最小可以達到0.1mm以下，可以滿足不同領域?qū)€性超彈和高強度復合材料的需求。
【附圖說明】
[0025]圖1是實施例1提供的復合材料絲材縱截面的透射電鏡明場像照片；
[0026]圖2是實施例1提供的復合材料絲材橫截面的透射電鏡高角度環(huán)形暗場像照片；
[0027]圖3是實施例1提供的復合材料絲材的一維高能X射線衍射譜；
[0028]圖4是實施例1提供的復合材料絲材的二維高能X射線衍射譜；
[0029]圖5是實施例1提供的復合材料絲材的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)不同角度的衍射強度的分布圖；
[0030]圖6是實施例1提供的復合材料絲材室在溫下的拉伸應力-應變曲線；
[0031]圖7是實施例1提供的復合材料絲材在室溫下的多次拉伸循環(huán)應力-應變曲線；
[0032]圖8是實施例2提供的復合材料板材縱截面的掃描電鏡背散射電子像照片；
[0033]圖9是實施例2提供的復合材料板材橫截面的掃描電鏡背散射電子像照片；
[0034]圖10是實施例2提供的復合材料板材的二維高能X射線衍射譜；
[0035]圖11是實施例2提供的復合材料板材在室溫下的拉伸加-卸載應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0036]為了對本發(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)對本發(fā)明的技術(shù)方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。
[0037]本發(fā)明提供的兼具線性超彈和高強度的金屬納米復合材料的制備方法包括以下具體步驟:
[0038](I)按復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)將上述復合材料組分放入真空度高于KT1Pa或惰性氣體保護的熔煉爐中，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)下對鑄錠進行5-50小時(優(yōu)選為10小時)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)對熱鍛后得到的棒狀或餅狀的型材進行塑性加工，得到所需要尺寸的絲材或板材；
[0043](6)對塑性加工后得到的絲材或板材進行再結(jié)晶退火處理，其退火溫度可以控制為400-600°C，退火時間可以控制為10-120分鐘；
[0044](7)對退火處理后的絲材或板材進一步進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