一种提高Ni-Mn-Ga合金强塑性的方法

一种提高ni-mn-ga合金强塑性的方法
技术领域
1.本发明属于合金技术领域，具体涉及一种提高ni-mn-ga合金强塑性的方法。


背景技术：

2.形状记忆合金(shape memory alloy)，即拥有“记忆”效应的合金，具有形状记忆效应(shape memory effect)，广泛应用于临床医疗、车辆工程和航空航天等领域，例如人造关节、内窥镜、人造卫星天线、自动干燥器、蒸汽排水阀和过电流保护器等。形状记忆合金还可应用于日常生活，例如电子灶、眼镜框架和移动电话天线等。随着形状记忆合金材料的出现和不断地开发利用，使其在智能材料系统中受到高度重视，具有广阔的应用前景。
3.ni-mn-ga形状记忆合金作为一种新型铁磁性装记忆合金，它是一种兼具着热弹性马氏体相变和铁磁性转变的新型智能材料，既拥有传统合金输出应变较大(～10％)的优点，同时也有着更高的磁致伸缩响应频率(～khz)，是将磁场驱动机制与形状记忆效应的完美融合。，因而使其作为传感-驱动材料被广泛应用。
4.目前ni-mn-ga合金脆性大、强度低等缺点，极大地限制了合金的应用与发展，因此如何提高ni-mn-ga合金强度，降低ni-mn-ga合金脆性的同时，保持甚至改善合金的热回复性，已成了ni-mn-ga合金研究的主要方向。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，具体是按照以下技术方案实现的：
6.一种提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，包括以下步骤：
7.步骤1、将ni、mn、ga金属原料进行除杂，干燥备用；
8.步骤2、按照ni
54
mn
26
ga
20
合金中原子比称取ni、mn、ga，将称取的ni和ga放入到坩埚中并置于熔炼炉中，然后进行真空电弧熔炼，得到熔炼好的ni-ga合金；
9.步骤3、在所述ni-ga合金中加入称取的mn，并加入碳块，然后在感应熔炼炉中进行熔炼，将熔炼后的合金进行吸铸，得到ni-mn-ga-c合金棒，其中合金棒中碳的原子比为0.1％；
10.步骤4、将所述ni-mn-ga-c合金棒进行切割处理，然后再进行籽晶法定向凝固处理，得到强塑性ni-mn-ga-c合金，所述籽晶的取向为奥氏体《110》a方向。
11.优选的，步骤1中ni和ga的除杂方法是使用机械打磨的方法去除金属表面氧化层及杂质；
12.所述mn的除杂方法是先利用体积比为20:5:75硝酸-氢氟酸-水构成的溶液对mn进行清洗，以去除mn表面的氧化层；然后置于无水乙醇中进行超声除杂，最后烘干处理。
13.优选的，步骤2所述真空电弧熔炼是先进行抽真空处理，以使得真空度为-0.05mpa，然后引弧后调整熔炼电流为200a，进行熔炼以除去残留的氧气，再调整电流至270a～300a进行反复熔炼处理。
14.优选的，步骤2所述真空电弧熔炼是在电流270a～300a下进行四次熔炼处理，每次熔炼时间为1min，单次熔炼结束后需对合金锭进行翻面处理。
15.优选的，步骤s3将感应熔炼炉中反复熔炼至表面无碳残余的合金锭进行吸铸处理，其中吸铸处理时电弧电流为350a，将合金锭完全熔化后打开吸铸开关利用压强差进行吸铸，将合金吸铸为直径8mm的合金棒。
16.优选的，步骤4是将所述ni-mn-ga-c合金棒切割成直径3mm的合金棒。
17.优选的，步骤4是将切割后的合金棒与相同直径且长度为3-4mm的籽晶物理粘合至一起，其中籽晶位于合金棒的底部，然后置于加热炉中进行加热熔化处理，其中加热温度不低于1450℃，保温时间不低于30min；启动定向凝固抽拉装置，在定向凝固生长速率为10μm/s下进行定向凝固，定向凝固120mm后自然冷却至室温。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明是将ni和ga金属进行熔炼得到ni-ga合金；然后再加入mn和碳进行熔炼处理，得到ni-mn-ga-c合金棒；最后对ni-mn-ga-c合金棒进行切割以及籽晶法定向凝固处理，得到强塑性ni-mn-ga-c合金。本发明是通过掺杂碳处理以及采用所取向为奥氏体《110》a方向的籽晶进行籽晶定向凝固处理，从而显著提高了ni-mn-ga合金强塑性。本发明制备的强塑性ni-mn-ga-c合金不仅保持原有合金的相结构和热回复性，同时改善了合金的力学性能。本发明强塑性ni-mn-ga-c合金压缩断裂强度增加了接近两倍，应变提高了三倍。
附图说明
20.图1为本发明的工艺流程图；
21.图2为本发明定向凝固示意图；
22.图3为对比例1(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金与对比例2ni
54
mn
26
ga
20
合金的xrd谱线；
23.图4为(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金、(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金、ni
54
mn
26
ga
20-《110》a合金以及ni
54
mn
26
ga
20
合金的压缩应力-应变曲线；
24.图5中(a)为ni
54
mn
26
ga
20
合金在退孪生后的热回复性、(b)为(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金在退孪生后的热回复性、(c)为ni
54
mn
26
ga
20
合金在压缩应变为10％时的热回复性以及(d)为(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金在压缩应变为10％时的热回复性；
25.图6为(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金横截面取向成像图(a)和放大图(b)，以及(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金金相图(c)和放大图(d)。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
27.实施例1
28.一种(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金的制备方法，具体步骤如下：
29.步骤1、将ni、mn、ga金属原料进行除杂，干燥备用；
30.步骤2、按照ni
54
mn
26
ga
20
合金中原子比称取ni、mn、ga，将称取的ni和ga放入到坩埚中并置于熔炼炉中，然后进行真空电弧熔炼，得到熔炼好的ni-ga合金；
31.步骤3、在所述ni-ga合金中加入称取的mn，并加入碳块，然后在感应熔炼炉中进行熔炼，将熔炼后的合金进行吸铸，得到直径为8mm的(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金棒；
32.步骤4、将所述(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金棒切割成直径为3mm的合金棒，然后进行籽晶法定向凝固处理，得到强塑性(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1-《110》a合金，所述籽晶的取向为奥氏体《110》a方向。
33.本发明步骤1中ni和ga的除杂方法是使用机械打磨的方法去除金属表面氧化层及杂质；
34.所述mn的除杂方法是先利用体积比为20:5:75硝酸-氢氟酸-水构成的溶液对mn进行清洗，以去除mn表面的氧化层；然后置于无水乙醇中进行超声除杂，最后烘干处理。
35.本发明步骤2所述真空电弧熔炼是先进行抽真空处理，以使得真空度为-0.05mpa，然后引弧后调整熔炼电流为200a，进行熔炼以除去残留的氧气，再调整电流至280a进行反复熔炼处理。
36.本发明步骤2所述真空电弧熔炼是在电流280a下进行四次熔炼处理，每次熔炼时间为1min，单次熔炼结束后需对合金锭进行翻面处理。
37.本发明步骤s3将感应熔炼炉中反复熔炼至表面无碳残余的合金锭进行吸铸处理，其中吸铸处理时电弧电流为350a，将合金锭完全熔化后打开吸铸开关利用压强差进行吸铸，将合金吸铸为直径8mm的合金棒。
38.本发明步骤4是将切割后的合金棒与相同直径且长度为3mm的籽晶物理粘合至一起，其中籽晶位于合金棒的底部，然后置于加热炉中进行加热熔化处理，其中加热温度为1450℃，保温时间为60min；启动定向凝固抽拉装置，在定向凝固生长速率为10μm/s下进行定向凝固，定向凝固120mm后自然冷却至室温。
39.对比例1
40.一种(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金的制备方法，具体步骤如下：
41.步骤1、按照实施例1步骤1-3制备得到直径为8mm的(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金棒；
42.步骤2、将所述(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金棒切割成直径为3mm的合金棒，然后进行定向凝固处理，得到一种(ni
54
mn
26
ga
20
)
99.9c0.1
合金，其中定向凝固的方法是将切割后的合金棒置于加热炉中进行加热熔化处理，其中加热温度为1450℃，保温时间为60min；启动定向凝固抽拉装置，在定向凝固生长速率为10μm/s下进行定向凝固，定向凝固120mm后自然冷却至室温。
43.对比例2
44.一种ni
54
mn
26
ga
20
合金的制备方法，具体步骤如下：
45.步骤1、将ni、mn、ga金属原料进行除杂，干燥备用；
46.步骤2、按照ni
54
mn
26
ga
20
合金中原子比称取ni、mn、ga，将称取的ni和ga放入到坩埚中并置于熔炼炉中，然后进行真空电弧熔炼，得到熔炼好的ni-ga合金；
47.步骤3、在所述ni-ga合金中加入称取的mn，并在感应熔炼炉中进行熔炼，将熔炼后的合金进行吸铸(其中吸铸方法与实施例1相同)，得到直径为8mm的ni
54
mn
26
ga
20
合金棒；
48.步骤4、将制备的ni
54
mn
26
ga
20
合金棒按照实施例1步骤2的方法进行定向凝固处理，得到一种ni
54
mn
26
ga
20
合金。
49.对比例3
50.一种ni
54
mn
26
ga
20-《110》a合金的制备方法，具体步骤如下：
51.步骤1、按照对比例1步骤1-3得到直径为8mm的ni
54
mn
26
ga
20
合金棒；
52.步骤2、将ni
54
mn
26
ga
20
合金棒按照实施例1步骤4进行籽晶法定向凝固处理，得到ni
54
mn
26
ga
20-《110》a合金。
53.从图1-图6中可以看出，本发明对于ni-mn-ga合金进行碳掺杂和籽晶法定向凝固处理，并不改变合金的相组成，均为非调制四方马氏体相，同时也不对合金的热回复性造成破坏，很好地保留了合金的形状记忆效应。
54.本发明对比有无碳掺杂可以发现，经过碳掺杂制备的ni-mn-ga定向凝固合金的强塑性均好于未进行碳掺杂的ni-mn-ga母合金，同时采用《110》a取向的籽晶进行籽晶法定向凝固的合金强塑性优于不采用籽晶法制备的定向凝固合金。通过碳掺杂和籽晶法相耦合制备的ni-mn-ga-c合金，强塑性比无碳掺杂且不使用籽晶法的ni-mn-ga定向凝固合金更高，改善了合金的强塑性。
55.需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将ni、mn、ga金属原料进行除杂，干燥备用；步骤2、按照ni
54
mn
26
ga
20
合金中原子比称取ni、mn、ga，将称取的ni和ga放入到坩埚中并置于熔炼炉中，然后进行真空电弧熔炼，得到熔炼好的ni-ga合金；步骤3、在所述ni-ga合金中加入称取的mn，并加入碳块，然后在感应熔炼炉中进行熔炼，将熔炼后的合金进行吸铸，得到ni-mn-ga-c合金棒，其中合金棒中碳的原子比为0.1％；步骤4、将所述ni-mn-ga-c合金棒进行切割，然后再进行籽晶法定向凝固处理，得到强塑性ni-mn-ga-c合金，所述籽晶的取向为奥氏体<110>
a
方向。2.根据权利要求1所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤1中ni和ga的除杂方法是使用机械打磨的方法去除金属表面氧化层及杂质；所述mn的除杂方法是先利用体积比为20:5:75硝酸-氢氟酸-水构成的溶液对mn进行清洗，以去除mn表面的氧化层；然后置于无水乙醇中进行超声除杂，最后烘干处理。3.根据权利要求1所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤2所述真空电弧熔炼是先进行抽真空处理，以使得真空度为-0.05mpa，然后引弧后调整熔炼电流为200a，进行熔炼以除去残留的氧气，再调整电流至270a～300a进行反复熔炼处理。4.根据权利要求3所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤2所述真空电弧熔炼是在电流270a～300a下进行四次熔炼处理，每次熔炼时间为1min，单次熔炼结束后需对合金锭进行翻面处理。5.根据权利要求1所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤s3将感应熔炼炉中反复熔炼至表面无碳残余的合金锭进行吸铸处理，其中吸铸处理时电弧电流为350a，将合金锭完全熔化后打开吸铸开关利用压强差进行吸铸，将合金吸铸为直径8mm的合金棒。6.根据权利要求1所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤4是将所述ni-mn-ga-c合金棒切割成直径3mm的合金棒。7.根据权利要求1所述提高ni-mn-ga合金强塑性的方法，其特征在于，步骤4是将切割后的合金棒与相同直径且长度为3-4mm的籽晶物理粘合至一起，其中籽晶位于合金棒的底部，然后置于加热炉中进行加热熔化处理，其中加热温度不低于1450℃，保温时间不低于30min；启动定向凝固抽拉装置，在定向凝固生长速率为10μm/s下进行定向凝固，定向凝固120mm后自然冷却至室温。

技术总结
本发明公开了一种提高Ni-Mn-Ga合金强塑性的方法，涉及合金技术领域。本发明是将Ni和Ga金属进行熔炼得到Ni-Ga合金；然后再加入Mn和碳进行熔炼处理，得到Ni-Mn-Ga-C合金棒；最后对Ni-Mn-Ga-C合金棒进行切割以及籽晶法定向凝固处理，得到强塑性Ni-Mn-Ga-C合金。本发明是通过掺杂碳处理以及采用取向为奥氏体<110>


技术研发人员：侯龙 李喜 杨思远 陆世伟 慈吉洲 李翔宇 周婷 余兴 王建涛 龙智鹏 张伟伟
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/10/7