[发明专利]一种制备梯度纳米晶粒结构镍钛形状记忆合金的方法

说明书

本发明提供一种制备梯度纳米晶粒结构镍钛形状记忆合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、通过强塑变工艺制备平均晶粒尺寸约5～20nm的超细纳米晶镍钛合金基体；步骤2、将步骤1所得超细纳米晶镍钛合金表面抛光至镜面；步骤3、将步骤2所得超细纳米晶基体用功率为50～300W的连续激光进行表面热处理，激光扫描速度400～2000mm/s，扫描线间距5～100μm。本发明结合传统冷加工技术和新兴激光加工技术制备出具有梯度纳米晶粒结构的镍钛合金，该梯度结构镍钛能兼顾材料的强度与延展性，同时降低相变过程中的能量耗散，进而提高使用寿命和力学性能稳定性。此外，该工艺操作简单，精度较高，成本低廉，可快速量产并投入使用，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于通过金属微结构设计来调控其宏观力学性能的领域，具体涉及制备梯度纳米晶粒结构镍钛形状记忆合金的方法。

背景技术

镍钛形状记忆合金以其独特的超弹性、形状记忆性、抗腐蚀性以及生物相容性，被广泛应用于航空航天、微电子器件、生物医疗、固态制冷等领域。传统的商业粗晶镍钛合金拥有良好的延展性和可观的相变潜热，但其相变过程中巨大的能量耗散(滞回圈面积)会加速材料的力学性能衰退和疲劳失效，同时降低构件服役过程中的稳定性。此外，商业粗晶镍钛合金的应用往往受限于其有限的强度和疲劳寿命。对于强烈塑性变形(强塑变)后所得的纳米晶镍钛合金，其拥有超高的强度，稳定的超弹性和可观的疲劳寿命，但上述性能的提升往往以牺牲材料的延性和相变潜热为代价。因此迫切需要一种制备梯度晶粒结构镍钛合金的方法，以兼顾粗晶的大潜热、高延性和细晶的高强度、高稳定性及耐疲劳性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种制备梯度纳米晶粒结构镍钛形状记忆合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过强塑变冷轧工艺制备平均晶粒尺寸约5～20nm的超细纳米晶镍钛合金薄板基体；

步骤2、将步骤1所得超细纳米晶镍钛合金表面抛光至镜面；

步骤3、将步骤2所得超细纳米晶基体用功率为50～300W的连续激光进行表面热处理，激光扫描速度400～2000mm/s，扫描线间距5～100μm。

所述步骤1中超细纳米晶镍钛合金基体可为其他纯金属或者合金，如镍，钛，钼，镍基合金，钛基合金，各类不锈钢以及高熵合金等。

所述步骤1制得的超细纳米晶镍钛合金基体几何形状可以是板、圆柱、管材、线材或长方体，通过冷轧、等通道挤压、冷拔或高压扭转等强塑变方法制备，加工温度在金属再结晶温度之下，一般情况下需低于100℃。

所述步骤1中的原材料为普通商用粗晶近等原子比的镍钛合金板材，外裹不锈钢板，冷轧过程中控制轧辊每次下压量在0.05mm以内，多道次轧制，最终使镍钛板材厚度均匀减薄20％～70％且表面无明显微裂纹。

所述步骤2中，抛光方法首先依次使用240,800,2000,4000目碳化硅砂纸打磨，随后使用抛光液进行机械抛光，直至样品表面肉眼下镜面且光镜下不含微裂纹为止。

所述步骤3中根据实际情况对激光功率、激光扫描速度和扫描线间距进行调整，使得晶粒尺寸沿厚度方向梯度分布，同时也避免激光输入能量过高导致基体晶粒完全长大或输入功率过低以至于粗晶区难以生成。

所述步骤3中应避免激光输入能量过高导致基体表面的元素蒸发形成凹坑，同时激光加工全程需在惰性保护气体下进行。

本发明具有如下优点：

本发明结合传统冷加工技术和新兴激光加工技术制备出具有梯度纳米晶粒结构的镍钛形状记忆合金，该梯度结构镍钛能兼顾材料的强度与延展性，同时降低相变过程中的能量耗散，进而提高使用寿命和力学性能稳定性。此外，该工艺操作简单，精度较高，成本低廉，可快速量产并投入使用，具有广阔应用前景。