[发明专利]一种具有宽温域超弹性的钛锆铌钽形状记忆合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于形状记忆合金技术领域，涉及一种钛锆铌钽形状记忆合金材料，通过在Ti-20Zr-10Nb(原子百分比at.％，下同)合金中添加2～4％原子比的Ta，制备出一种新型四元Ti-Zr基形状记忆合金。

背景技术

目前所有的商用超弹性形状记忆合金，其使用的温度范围极其有限：Ti-Ni在-20～80℃具有超弹性，Fe-Ni-Co-Al小于50℃时具有超弹性，Cu-Al-Mn小于60℃时具有超弹性。它们只在很窄的温度范围内具有超弹性，这就大大限制了其应用领域。因此有必要发展一种具有宽温域超弹性的形状记忆合金，在太空(-150～120℃)、汽车(-50～150℃)、抗震(-50～50℃)等众多领域有很好的应用前景。

良好的形状记忆效应和室温超弹性是功能性生物材料重要的特征，在生物医用领域具有广泛的应用前景。Ti-Ni形状记忆合金以其良好的形状记忆特性和超弹性，已在生物医学、航空航天和日常生活等众多领域得到了广泛应用。近年来，Ti-Ni合金中溶出的Ni离子的细胞致敏性和毒性已得到确认，因此发展完全由生物安全元素制成的新型无Ni形状记忆合金已成为当今研究热点。申请号为CN200710175508的专利申请文件中公开了一种钛锆铌锡高温形状记忆合金材料及其制备方法，所述材料由30～40at.％的锆、0.2～10at.％的铌、5～10at.％的锡和余量的钛组成。该合金形状记忆效应约为1.5％，但未见室温超弹性的报道。申请号为CN201210159967的专利申请文件中提供了一种钛锆铌铁形状记忆合金，由10～40at.％的锆、5～20at.％的铌、0.1～10at.％的铁和余量的钛组成，其最大室温超弹性为3.1％，最大形状记忆效应为4.1％，但无宽温域超弹性的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有形状记忆合金功能特性的单一性和局限性，提供一种兼具宽温域超弹性、高温形状记忆效应和生物安全性的新型Ti-Zr基形状记忆合金。在Ti-20Zr-10Nb合金基础上，通过添加合金元素Ta，制备出Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta新型四元Ti-Zr基形状记忆合金，通过不同的热处理工艺，使其具备宽温域(-196℃～135℃)超弹性和高温形状记忆效应。优选实施例合金组份见表1。

表1 优选实施例合金组份

600℃退火、空冷态的Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta室温下为奥氏体态，由β相组成，具有良好的宽温域超弹性，在-196～135℃之间331℃的范围内具有超弹性，最大室温超弹性达到4.9％，50℃时超弹性最大，达5.0％，屈服强度为294～843MPa，抗拉强度为637～1154MPa，室温弹性模量为45～55GPa，延伸率为8～12％。

600℃退火、水中淬火态的Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta室温下为马氏体态，由α”相组成，具有良好的高温形状记忆效应，其逆马氏体相变峰值温度为97～130℃，远低于Ti-20Zr-10Nb的550℃；最大形状记忆效应为3.34％，远高于Ti-20Zr-10Nb的2.5％；屈服强度最高达到210MPa，抗拉强度达到554MPa，弹性模量为40～50GPa，延伸率为10～12％。

本发明还提供一种钛锆铌钽形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步：使用高纯的海绵钛颗粒、海绵锆颗粒、中间合金Nb-Ti屑、中间合金Nb-Ta屑为原料，按成分配比为Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta准备原料。

第二步：将所有原料混合均匀后，采用冷等静压(CIP)压制成棒料，再进行真空除气。

第三步：将除气后的棒料在真空自耗电弧炉内焊接成自耗电极并进真空自耗电弧熔炼。为了保证成分均匀，在真空自耗电弧熔炼炉内反复熔炼5次以上。

第四步：将铸锭在真空热处理炉内进行均匀化处理，进一步消除成分偏析。

第五步：对均匀化处理后的铸锭进行锻造。

第六步：采用线切割法沿横截面将铸锭切成厚度为4～5mm的薄片，并进行冷轧加工，冷轧变形量不小于75％。

第七步：对冷轧后的板材加热到600℃，保温30分钟，然后进行空冷或者水中淬火，即得到本发明的钛锆铌钽形状记忆合金板材。

本发明钛锆铌钽形状记忆合金材料的优点：

1、具有宽温域超弹性和高温形状记忆效应两种功能特性，突破了现有成分形状记忆合金功能特性单一性、局限性的瓶颈。