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CN108723110B - 一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法 - Google Patents

一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，它采用等径弯角挤压模具形成等径弯角挤压法针对形状记忆合金进行处理，利用该方法可以在不改变材料横截面积的情况下，在较低的载荷和应力下实现试样的大剪切变形，在变形过程中，块体材料的加工硬化、动态回复和再结晶最终导致晶粒被极大细化，最终形成亚微晶或纳米结构，从而提高材料强度有研究表明，利用ECAP变形细化晶粒可显著提高铁基形状记忆合金合金强度及恢复率。鉴于以上理由，本发明属于金属材料精整技术领域。

Description

一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法
技术领域
本发明属于金属材料精整技术领域，特别是关于一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法。
背景技术
由于传统的NiTi合金及工程中广泛应用的NiTiFe合金滞后较窄(通常为30-50℃)，导致其在运输过程中必须保存在特殊的温度环境下。很多研究人员尝试改善形状记忆合金的相变滞后。
NiTiNb形状记忆合金是1986年以后发展起来的一种新型实用工程记忆合金。合金的相变滞后(As-Ms)高达150℃，明显宽于其他形状记忆合金，用其制成的管接头可以在常温下储存和运输，无需在液氮中保存，极大地降低了储存和应用成本；安装时加热到逆相变温度以上即可完成形状恢复，工程应用方便，而且该合金加工成型性能好。采用NiTiNb合金制备的管接头，因其具有紧固力大，结构简单，选用方便，便于运输等优点逐渐取代传统连接方式成为航空管接头的首选连接方式。
随着液压管路接头的工作压力逐渐增大，为提高管接头的紧固力，必须增加壁厚，但壁厚的增加会直接导致管接头低温扩径困难，可靠性和稳定性下降。因此，在保证管接头壁厚不变的前提下，为了满足记忆合金管接头的高性能指标：形状记忆性能、气密性、晶粒细小、耐高压(爆破压力≥100MPa)、免焊、可靠性高，通过改善NiTiNb合金微观组织来提高综合性能是必然趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中在保证管接头壁厚不变的前提下，不能满足记忆合金管接头的高性能指标的问题，本发明提供一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，它包括以下步骤：1)针对形状记忆合金试样进行预热，预热温度在400℃保温30min，860℃保温20min；2)针对等径弯角挤压模具进行预热，预热温度分别为300℃，340℃，380℃，420℃保温，且各保持20min；3)将形状记忆合金放置在等径弯角挤压模具中，采用C路径和BC路径针对形状记忆合金进行挤压，形成用于制作管路的棒材；4)针对用于制作管路的棒材进行热处理工艺，退火处理温度在300℃，400℃，500℃，600℃，各保温30min空冷；5)针对用于制作管路的棒材制成管路。
所述步骤1)中的形状记忆合金试样材料采用99.96％的海绵钛和99.96％的纯镍以及99.96％的纯铌，按Ni47-Ti44-Nb9配比配置。
所述等径弯角挤压模具的材质采用H13钢。
所述步骤1)中形状记忆合金试样的形成过程如下：1)形状记忆合金采用真空感应熔炼后铸成合金锭，铸锭质量为6kg；2)每个铸锭熔炼三次；3)铸锭在850℃温度下经锻造和三辊斜轧成Φ30mm的棒材，并针对棒材采用线切割将材料加工成13.5mm×13.5mm×45mm的形状记忆合金试样。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用针对形状记忆合金试样进行预热，预热温度在400℃保温30min，860℃保温20min；针对等径弯角挤压模具100进行预热，预热温度分别为300℃，340℃，380℃，420℃保温，且各保持20min；将形状记忆合金放置在等径弯角挤压模具100中，采用C路径和BC路径针对形状记忆合金进行挤压，形成用于制作管路的棒材；针对用于制作管路的棒材进行热处理工艺，退火处理温度在300℃，400℃，500℃，600℃，各保温30min之后空冷；针对用于制作管路的棒材制成管路。以上可知，本发明采用等径弯角挤压模具形成等径弯角挤压法针对形状记忆合金进行处理，利用该方法可以在不改变材料横截面积的情况下，在较低的载荷和应力下实现试样的大剪切变形，在变形过程中，块体材料的加工硬化、动态回复和再结晶最终导致晶粒被极大细化，最终形成亚微晶或纳米结构，从而提高材料强度。有研究表明，由于利用ECAP变形细化晶粒，因而铁基形状记忆合金合金的强度及恢复率得到显著提高。2、本发明由于对于NiTiNb形状记忆合金的ECAP变形属于高温ECAP变形，需要选用耐高温的热作模具钢，因此等径弯角挤压模具100采用的是H13钢。H13钢是电渣重熔钢，该钢具有高的淬透性和抗热裂能力，该钢含有较高含量的碳和钒，耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性的韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。鉴于以上理由，本发明属于金属材料精整技术领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是等径角挤压模具装配图的主视图；
图2是等径角挤压模具装配图的俯视图；
图3是转角为90°的凹模I主视图；
图4是转角为105°的凹模I主视图；
图5是转角为120°的凹模I主视图；
图6是模套的剖面图；
图7是模套的俯视图；
图8是垫板示意图；
图9是挤压凸模放大示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，其包括以下步骤：
1)针对形状记忆合金试样进行预热，预热温度在400℃保温30min，860℃保温20min；
其中，形状记忆合金试样采用99.96％的海绵钛和99.96％的纯镍以及99.96％的纯铌，按Ni47-Ti44-Nb9配比(此成分配比为已知，其他配比形成的合金无形状记忆性能，故无法制作形状记忆管路组件，故此方法仅限于Ni47-Ti44-Nb9)配置。
其中，形状记忆合金采用真空感应熔炼后铸成合金锭，铸锭质量为6kg，每个铸锭熔炼三次，以保证形状记忆合金的试样成分均匀。铸锭在850℃温度下经锻造和三辊斜轧成Φ30mm的棒材，并针对棒材采用线切割将材料加工成13.5mm×13.5mm×45mm的形状记忆合金试样。
2)针对等径弯角挤压模具100进行预热，预热温度分别为300℃，340℃，380℃，420℃保温，且各保持20min；
上述等径弯角挤压模具100预热温度越高，形状记忆合金变形越容易，组织越均匀。形状记忆合金变形后随退火温度的增高，析出的β-Nb相逐渐增多，共晶组织的含量逐渐降低；而退火温度升高引起的基体Ni/Ti原子比降低又导致了合金相变温度的上升，进而导致合金的相变滞后变宽，用其制成的管接头可以在常温下储存和运输，极大地降低了储存和应用成本。
3)将形状记忆合金放置在等径弯角挤压模具100中，采用C路径和BC路径针对形状记忆合金进行挤压，形成用于制作管路的棒材；
其中，随着挤压道次增加，合金微观组织分布越来越均匀，析出的β-Nb相逐渐增加。此外，等径角挤压(ECAP)变形可极大地减小(Ti，Nb)2Ni硬脆相的尺寸，抑制该相对变形的不利作用。另一方面，挤压道次的增加也可以提高NiTiNb合金的相变温度。四道次ECAP变形后，合金的Ms温度从原始时原始的-88.2℃提高至-51.3℃。
不同路径(C路径和Bc路径)下，随着挤压道次的增加，合金微观组织也相应地产生变化。每个道次下Bc路径的微观组织均匀性和β-Nb相数量都较C路径更好、更多，因而晶粒更加细化，进而显著提高合金强度及恢复率。C路径二、四道次变形组织恢复等轴状，Bc路径四道次后变回等轴状。
4)针对用于制作管路的棒材进行热处理工艺，退火处理温度在300℃，400℃，500℃，600℃，各保温30min之后空冷；
其中，当退火温度为600℃时形状记忆合金的MS、Mf、AS、Af温度分别达到-23.2℃、8.5℃、-54.3℃、-101.1℃，因而导致合金的相变滞后变宽，用其制成的管接头可以在常温下储存和运输，极大地降低了储存和应用成本；安装时加热到逆相变温度以上即可完成形状恢复，工程应用方便。
5)针对用于制作管路的棒材制成管路组件，上述采用棒材制成管路的过程按照常规制作管路组件即可，其本领域常用的技术手段，故不再详述。
综上可知，本发明采用等径弯角挤压模具100形成等径弯角挤压法针对形状记忆合金进行处理，利用该方法可以在不改变材料横截面积的情况下，在较低的载荷和应力下实现试样的大剪切变形，在变形过程中，块体材料的加工硬化、动态回复和再结晶最终导致晶粒被极大细化，最终形成亚微晶或纳米结构，从而提高材料强度有研究表明，利用ECAP变形细化晶粒可显著提高铁基形状记忆合金合金强度及恢复率。
上述等径弯角挤压模具100的材质采用H13钢。由于对于NiTiNb形状记忆合金的ECAP变形属于高温ECAP变形，需要选用耐高温的热作模具钢，因此等径弯角挤压模具100采用的是H13钢。H13钢是电渣重熔钢，该钢具有高的淬透性和抗热裂能力，该钢含有较高含量的碳和钒，耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性的韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。
上述等径弯角挤压模具100采用现有技术中的等径弯角挤压模具100：
如图1和图2所示，等径弯角挤压模具100包括组合凹模101、模套102、垫板103和挤压凸模104。
其中，组合凹模101包括凹模I105和凹模II106，凹模I105和凹模II106通过圆柱销107和内六角螺钉108连接固定形成组合凹模101整体。
如图3、图4和图5所示，凹模I105内的转角可以采用90°、105°和120°。等径弯角挤压模具100转角(105°、120°)对合金的挤压过程和微观组织也有影响，等径弯角挤压模具100转角越小，变形更剧烈，变形抗力更大，应变量也越大，组织分布更紧密也更均匀，晶粒更细，强度和恢复率更高。两种等径弯角挤压模具100一道次挤压后组织均呈细长状，但转角105°时，试样组织更扁平，应变量更大，微观组织分布更紧密、更均匀，晶粒更细，强度和恢复率更高。
如图6和图7所示，模套102底部设置有六个螺钉孔，还有六个用于插入加热棒的孔。模套102纵向中心具有通孔，该通孔形状与组合凹模101的形状相匹配，以便组合凹模101插入模套102内；模套102侧面有一个出料孔，方便挤出试样。
如图8所示，垫板103周向边缘设置有对称的四个弧形口，用于固定垫板103；弧形口和中心之间的周向上设置有六个螺钉孔，用于与模套102相连接固定，且该六个螺钉孔与模套102的六个螺钉孔相对应，以便通过对应的螺钉孔将二者固定成一体。
如图9所示，挤压凸模104采用三部分组成，第一部分顶面用于与液压机进行接触，第二部分用于缓冲液压机的冲力，第三部分用于推动形状记忆合金试样挤出凹模。第一部分、第二部分均采用圆柱形，第三部分采用与凹模上的凹槽相同尺寸的立方体，且高度之比为4:6:15。
采用等径弯角挤压模具100进行制作时：
1)在组合凹模101的凹模I105内侧刷上石墨粉涂层，然后将凹模I105和和凹模II106采用圆柱销107和内六角螺钉108进行安装，形成组合凹模101；
2)模套102内侧涂上一层石墨粉，然后将组合凹模101插入模套102内，且组合凹模101拐角出口对准模套102上面预留的出料口，方便形状记忆合金试样挤压出来；
3)将模套102设置在垫板103上，并采用六角螺钉将二者连接成一体；
4)将装配好的等径弯角挤压模具100放置在液压机上，将加热棒放入模套102中，加热的温度通过等径弯角挤压模具100外连接加热棒的微处理器进行控制，微处理器可以采用包括但不限于单片机CC2530等。等径弯角挤压模具100外部包裹一层石棉，起到保温的作用。同时形状记忆合金试样也进行加热，保温。
5)当等径弯角挤压模具100到达预热温度后，将形状记忆合金试样表面涂一层石墨粉，然后使用镊子，放入组合凹模101。
6)使用液压机缓慢加载，将挤压凸模104冲入第组合凹模101内使试样挤压出来。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，它包括以下步骤：
1)针对形状记忆合金试样进行预热，预热温度在400℃保温30min，860℃保温20min；
2)针对等径弯角挤压模具进行预热，预热温度分别为300℃，340℃，380℃，420℃保温，且各保持20min；
3)将形状记忆合金放置在等径弯角挤压模具中，采用C路径和BC路径针对形状记忆合金进行挤压，形成用于制作管路的棒材；
4)针对用于制作管路的棒材进行热处理工艺，退火处理温度在300℃，400℃，500℃，600℃，各保温30min空冷；
5)针对用于制作管路的棒材制成管路。
2.根据权利要求1所述的一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，其特征在于：所述步骤1)中的形状记忆合金试样材料采用99.96％的海绵钛和99.96％的纯镍以及99.96％的纯铌，按Ni47-Ti44-Nb9配比配置。
3.根据权利要求1所述的一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，其特征在于：所述等径弯角挤压模具的材质采用H13钢。
4.根据权利要求2所述的一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，其特征在于：所述等径弯角挤压模具的材质采用H13钢。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种采用形状记忆合金制作管路组件的方法，其特征在于：所述步骤1)中形状记忆合金试样的形成过程如下：
1)形状记忆合金采用真空感应熔炼后铸成合金锭，铸锭质量为6kg；
2)每个铸锭熔炼三次；
3)铸锭在850℃温度下经锻造和三辊斜轧成Φ30mm的棒材，并针对棒材采用线切割将材料加工成13.5mm×13.5mm×45mm的形状记忆合金试样。
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Denomination of invention: A method of using shape memory alloy to make pipeline components

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