[发明专利]一种取向可控Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶的制备方法

说明书

本发明涉及一种取向可控Cu‑Al‑Mn形状记忆合金单晶的制备方法，属于金属材料制备领域。所述制备方法首先采用定向凝固方法制备沿凝固方向具有<001>丝织构的柱状多晶Cu‑Al‑Mn形状记忆合金坯料。然后，采用循环热处理方法，使合金晶粒发生连续异常长大，直至长成单晶；同时，通过控制循环热处理制度和工艺参数，保证单晶生长过程中晶粒取向不发生明显改变，从而获得沿初始凝固方向具有近<001>取向的Cu‑Al‑Mn形状记忆合金单晶。本发明所述单晶制备方法实现了固态相变法单晶生长过程中的取向控制，具有可制备大尺寸单晶体(单晶尺寸可达50mm以上)、取向易控、工艺简单等优点。

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，涉及一种取向可控Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶的制备方法。

背景技术

形状记忆合金是一种集感知和驱动于一体的智能材料，可以制成传感器、探测器、阻尼器件、能量转换器以及智能微型装置等，广泛应用于电子通信、医疗卫生、机械制造、航空航天、能源化工以及日常生活等众多领域。Cu-Al-Mn形状记忆合金由于其价格低廉、形状记忆性能良好，阻尼、吸能性能优异，且易于加工，已成为最具应用潜力的形状记忆合金之一，特别适用于制造大型建筑物、大型精密仪器用减震装置。

Cu-Al-Mn形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应具有显著的晶粒尺寸敏感性。随着晶粒尺寸的增大，合金的超弹性应变和形状记忆效应显著提高。例如，直径10mm的等轴多晶组织棒材，平均晶粒尺寸为10μm时，其超弹性仅有2％左右；当平均晶粒尺寸增大到10mm时，超弹性可达到7％以上；而对于单晶合金，其超弹性可超过10％。

传统的单晶制备方法如提拉法、Bridgeman法等，制备工艺复杂，控制难度大，难以制备大尺寸单晶体。研究发现，Cu-Al-Mn形状记忆合金在500℃～600℃热处理时，α相析出，并伴随在β相基体上形成亚晶。在合金加热至约730℃以上时，α析出相发生回溶，亚晶组织残留在β相基体上。残留亚晶为后续高温热处理过程中β相晶粒长大提供驱动力，使合金β相晶粒发生异常长大[Omori T.,et al.(2013).Science 341(6153):1500-1502.]。需要指出的是，α相的析出与回溶可以通过多次循环热处理过程而不断重复。基于上述机理，研究人员开发了基于固态相变原理的Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶制备新方法[Kusama T.,et al.(2017)Nature Communications 8(354):1-9]，即通过对多晶Cu-Al-Mn形状记忆合金坯料实施合理的循环热处理，促使合金晶粒异常长大不断进行，直至形成单晶。该方法突破了传统凝固方法制备大尺寸单晶的瓶颈，所制备的Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶尺寸可达10mm以上。

但是，目前开发的Cu-Al-Mn形状记忆合金循环热处理工艺均不能对晶粒取向进行控制，即由于采用晶粒随机取向的普通多晶合金作为原料，在单晶制备过程中，发生异常长大的晶粒具有随机性，因此所获得的单晶取向也是随机的。而对于Cu-Al-Mn形状记忆合金而言，其超弹性、形状记忆效应等关键性能具有显著的取向依赖性，即当沿不同晶体学取向测试或使用时，合金的性能表现出显著差异(强各向异性)。例如，对于Cu-Al-Mn形状记忆合金单晶，其沿<001>取向的超弹性可达10％以上，而沿<111>取向的超弹性仅有约2％。

因此，开发可控近<001>取向的Cu-Al-Mn形状记忆合金大尺寸单晶的制备方法，对于满足Cu-Al-Mn形状记忆合金作为大型建筑物、大型精密仪器用减震吸能材料的应用需求具有重要意义。

发明内容