[发明专利]一种Fe-Mn-Si-Cr-Ni基形状记忆合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Fe‑Mn‑Si‑Cr‑Ni基形状记忆合金及其制备方法，属于复合材料技术领域。其原料包括Mn粉12～30wt.％，Si粉3～6wt.％，Cr粉0～12wt.％，Ni粉0～6wt.％，余量为Fe粉。制备时，Fe粉、Mn粉、Si粉、Cr粉和Ni粉先进行球磨混料，再进行预压，然后把预压后的样品进行放电等离子(SPS)烧结，烧结压力20～50MPa，烧结温度800～1000℃，保温5～60min，然后降温卸压，制得Fe‑Mn‑Si‑Cr‑Ni基形状记忆合金。本发明所述的Fe‑Mn‑Si‑Cr‑Ni基合金的具有良好的力学性能和形状记忆效应。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种Fe-Mn-Si-Cr-Ni基形状记忆合金及其制备方法。

背景技术

目前制备Fe基形状记忆合金多采用传统的熔炼铸造工艺，特别是五元Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金，虽然方法简单，但熔炼过程中合金元素的烧损、挥发和Si元素的难熔常常使得其成分难以控制，其次耗时的均匀化处理以及凝固和淬火过程中由冷却收缩引起的裂纹、回火脆化等，造成合金的塑性较差，冷加工困难，从而限制了其工程应用。粉末冶金法则能够很好地避免这些缺陷，可以精确地控制合金成分，减小成分偏聚，增加合金元素在Fe基质中的固态溶解度，同时避免氧化物的形成，生产过程中能耗和污染都比较低。生产出的工件尺寸精度高，不需要或很少需要随后的机械加工，节约金属、降低成本。机械合金化是用于获得合金粉末的技术之一，可以产生纳米级结构和非平衡相，从而改善材料性能。

粉末冶金工艺中烧结是一道关键工序，对产品的性能和质量起着决定性作用。目前，已有文献对烧结工艺进行了一些研究。通过机械合金化和粉末冶金的方法制备Cu-A1-Ni记忆合金其形状记忆恢复率为63％，但该方法制备的合金因为粉末颗粒之间是机械镶嵌咬合，因而在烧结过程中存在烧结空洞，从而使其记忆效应衰减快。如何使通过机械合金化方法制备的材料，其粉末体之间实现高致密冶金化结合是克服这个问题的关键，通过对Al₂O₃，弥散强化铜合金的研究可知，实现高致密冶金化结合的关键是真空烧结后热挤压[李周,汪明朴,谭望,等.机械合金化和粉末冶金法制备纳米弥散强化铜基形状记忆合金[C]//第五届海峡两岸粉末冶金技术研讨会论文集.2004.]。徐飞等研究了粉末冶金方法制备Fe-17Mn-6Si-0.03C铁基形状记忆合金，试验结果表明,实验合金压坯适宜的压制压力为400～500MPa,当保温时间相同时,随着烧结温度的提高,原子扩散能力加强,烧结颈的形成和长大速度加快,颗粒之间的冶金结合面增多,晶粒成分愈趋于均匀化,同时孔隙也趋于减少并球化。1100℃和1150℃(烧结时间1h)烧结的试样,合金的基体组织为奥氏体,由于粉末冶金烧结体通常为多孔隙组织,因此奥氏体晶粒间存在一定的孔隙及夹杂物，1100℃烧结后,试样中的铁、锰、硅的分布仍然很不均匀,表明烧结温度偏低。试样经1150℃烧结后,晶粒有所长大,同时铁、锰、硅在奥氏体晶粒中的分布已比较均匀。1200℃的烧结试样的情况与1150℃时基本相近。但当烧结温度达到1250℃以后,合金中的晶粒明显长大,性能也有所下降。因此,试验合金适宜的烧结温度应为1150～1200℃[徐飞,张桢,申斌,等.粉末冶金法制备铁基形状记忆合金工艺研究[J].科技创新导报,2009(35):101.]。

放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)具有升温速率快，烧结温度低，致密化时间短等优点，广泛应用于各种材料的制备，如纯金属、合金、金属间化合物、陶瓷材料以及各种复合材料。但有关SPS烧结制备Fe-Mn-Si基形状记忆合金的研究较少，尚未得到一般规律。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种Fe-Mn-Si-Cr-Ni基形状记忆合金及其制备方法，其原料包括高纯度Fe粉、Mn粉、Si粉、Cr粉和Ni粉。将混料后的Fe粉、Mn粉、Si粉、Cr粉和Ni粉混合物进行放电等离子(SPS)烧结，制得Fe-Mn-Si-Cr-Ni基形状记忆合金，其具有良好的力学性能和形状记忆效应。