一种Cu-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料制备领域，设及一种化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 化-Al-Mn形状记忆合金是一种重要的铜基形状记忆合金，其价格低廉，相当于 NiTi形状记忆合金的1/10,其导电导热性能良好，可W制成传感器、探测器、阻尼器件、能 量转换器W及智能微型装置等，并可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W及日常生活等众多领域。
[0003] 目前，形状记忆合金制成的元器件，如智能驱动器、机器手臂、引导丝等，均需与其 他部件连接，如不诱钢、侣合金等材质的结构部件。在与运些结构部件连接时，需要形状记 忆合金的连接端具有较高的硬度和强度来保证连接的可靠性。但形状记忆合金的高硬度、 高强度与高超弹性、良好的形状记忆效应却难W兼得，例如当采用添加强化合金元素、细晶 强化、形变强化等方法提高形状记忆合金的硬度和强度时，会造成合金超弹性和形状记忆 效应的显著下降，严重影响形状记忆合金的功能特性。
[0004] 梯度功能材料是一种组织、结构、特性参数和力学、物理、化学等单一或复合性能 呈连续变化，W适应不同功能需求或实现某些特殊功能的一类新型材料。如果能制备出性 能梯度变化的梯度功能形状记忆合金材料，例如与结构材料连接的连接端具有高硬度和高 强度，而其余部分（功能端）仍保持高形状记忆性能，就能使形状记忆合金材料同时满足性 能多样化的要求。
[0005] 目前梯度功能材料的制备方法主要是从原料成分入手，如采用气相沉积、电沉积、 等离子喷涂、自蔓延高溫合成法、粉末冶金和焊接等方法，制备合金成分梯度变化材料，从 而实现材料功能的梯度变化。但对于形状记忆合金，其最重要的功能特性一-形状记忆性 能（包括超弹性和形状记忆效应）依赖于合金的马氏体相变。在应用中，要求合金的马氏体 相变溫度稳定。而形状记忆合金的马氏体相变溫度具有极高的成分敏感性，例如化-Al-Mn 形状记忆合金中Al含量改变0.Iwt. %，合金的马氏体相变溫度可改变5~8°C。因此，采 用传统的成分梯度设计来制备形状记忆合金梯度功能材料将无法满足马氏体相变溫度稳 定性的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料的制备方法， 解决传统成分梯度设计无法制备具有稳定的马氏体相变溫度的形状记忆合金梯度功能材 料的问题，满足形状记忆合金实际应用中性能多样化的需求；本发明采用梯度热处理方 法，所述梯度热处理方法的热处理工艺参数，（其中，热处理溫度或时间是可控的），并利 用贝氏体析出相强化机制和贝氏体析出相含量随热处理溫度升高或时间延长而升高的规 律，使合金的相组成呈现梯度变化，从而获得强度、硬度、超弹性等性能呈梯度变化的一种 化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料。 阳007] 本发明的技术方案：
[0008] 一种化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料的制备方法，所述制备方法利用具有 高超弹性的柱状晶组织的化-Al-Mn合金巧料为原料，然后根据所要制备的所述化-Al-Mn 形状记忆合金梯度功能材料的性能需要通过梯度热处理法对所述化-Al-Mn合金巧料沿指 定方向进行热处理，热处理后进行空冷或水泽，制备获得所述化-Al-Mn形状记忆合金梯度 功能材料，所述化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料的合金性能沿指定方向变化。
[0009] 进一步地，所述制备方法具体包括W下步骤：
[0010] (1)化-Al-Mn合金巧料的制备：采用连续定向凝固方法，使用下拉或水平式连 续定向凝固设备，W纯度均高于99. 9%的无氧铜、电解侣和电解儘为原料，经过原料混 合、真空烙炼及下引拉巧制备获得直径为I-SOmm的表面光滑的柱状晶组织化-Al-Mn合 金巧料；所述真空烙炼的溫度为ll〇〇°C-1200°C;控制石墨铸型溫度为1000-1100°C，拉 巧速度为1 - 50mm/min;所述原料中侣、铜及儘的含量分别为：侣：16at% -24at%，儘： 9at% -13at%，铜：63at% -75at% ; W11] 似马氏体相变开始溫度Ms的测量：测量步骤（I)所制备的化-Al-Mn合金巧料 的马氏体相变开始溫度Ms,所述马氏体相变开始溫度Ms的测量方法为差热分析法或电阻 测量法；
[0012] (3)热处理参数的计算：根据实际产品性能需要，计算出所述化-Al-Mn合金巧料 各部位对应所需的热处理参数，所述热处理参数包括热处理溫度和热处理时间；
[0013] (4)梯度热处理法：根据步骤（3)计算得到的所述化-Al-Mn合金巧料各部位对应 所需的热处理参数，对步骤（2)获得的所述化-Al-Mn合金巧料沿指定方向进行梯度热处 理，然后进行空冷或水泽，获得所述化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料。
[0014] 进一步地，步骤（1)化-Al-Mn合金巧料的制备方法为：W纯度均高于99. 9 %的无 氧铜、电解侣和电解儘为原料，所述原料中侣、铜及儘的含量分别为：侣：16at% -24at%， 车孟：9at% -13at%，铜：63at% -75at% ;将上述配比的原料进行烙炼，烙炼溫度为 Iiocrc-1200°C;然后进行定向凝固，所述定向凝固过程采用石墨铸型周向加热，所述石墨 铸型的溫度为iooo°c-iioor，石墨铸型置于铜模底座上，所述铜模底座的冷却方式为水 冷，将烙炼获得的金属液注入石墨铸型，然后停止对所述石墨铸型周向加热，所述金属液自 下而上定向凝固，制备获得化-Al-Mn合金巧料；
[0015] 进一步地，所述热处理参数的具体计算方法如下：
[0016] (1)热处理预实验：在高于所述马氏体相变开始溫度Ms200°C~500°C的溫度范围 内选取不少于4个溫度值作为热处理溫度进行预实验，并每个热处理溫度下设置不少于4 个热处理时间进行热处理预实验，所述热处理时间在Imin-IO化时间范围内进行选取，并 保证选取的热处理时间中的一个为1〇化；
[0017] (2)合金性能测试及热处理后合金材料常数的确定：对步骤（1)热处理预实验之 前W及热处理预实验之后的合金样品进行合金性能值的测试，测试的所述合金性能包括马 氏体相变临界应力、硬度、弹性模量及超弹性；
[0018] 热处理后合金的性能与热处理溫度及热处理时间的关系满足公式[1]:
[0019] yCr, t) = y…+(y〇-y…）/{l+[a ? exp(-b ? T) ? t]n}山
[0020] y(T，t)表示在热处理溫度为T、热处理时间为t的条件下热处理后合金的性能，所 述热处理后合金的性能包括马氏体相变临界应力、抗拉强度、硬度、弹性模量及超弹性中的 全部或其中任意的组合；y。表示热处理前合金的性能值，热处理前t= 0;yW表示热处时间 无限长时合金的性能值，所述热处时间无限长是指t> 10化；公式[1]中a、b和n为材料 常数。
[0021] 分别将热处理预实验中测得的合金各性能值代入公式[1]中进行数值拟合，即可 得到合金各性能对应的材料常数a、b和n的值； 阳02引（3)根据所要制备的所述化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料的性能需要，将产 品的目标性能y和步骤（2)得到对应的材料常数a、b和n的值代入式[1]中，即可算出制 备所述化-Al-Mn形状记忆合金梯度功能材料所需的热处理溫度T和热处理时间t。
[0023] 进一步地，步骤（4)所述梯度热处理法采用管式梯度热处理炉对所述化-Al-Mn合 金巧料进行梯度热处理，所述梯度热处理法的具体步骤为：
[0024] 1)将一根或多根柱状晶组织的所述化-Al-Mn合金巧料放入所述管式梯度热处理 炉中；
[00对。根据产品性能需要，确定所述管式梯度热处理炉中各加热线圈的加热溫度，使 所述管式梯度热处理炉提供连续变化的溫度场； 阳0%] 3)梯度热处理一定时间，然后空冷或水泽。
[0027] 进一步地，