[發明專利]具有近零膨脹特性的TiNi合金基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210005127.3
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102534275A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 張新平;關銳峰;馬驍;羅軍平
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C14/00;B22F3/16;B22F3/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

技術領域

本發明涉及對溫度變化呈現近零膨脹性質新型材料的制備技術，特別是涉及一種具有近零膨脹性能的TiNi形狀記憶合金基復合材料的制備方法。

背景技術

在航空航天、機械工程、精密儀器等領域大量應用的功能結構、部件和設施中，各種材料因溫度變化而發生熱脹冷縮的現象很大程度地制約著結構和部件的服役性能和可靠性。例如，航空航天結構和器件通常要經歷環境溫度的劇烈變化，因而不同材料間熱膨脹系數的差異會引起結構和器件內部很大的內應力，并導致孔、銷、鍵類等結構原有配合產生變化(譬如三種典型的過渡配合、過盈配合、間隙配合之間的變化)而帶來功能失效；嚴重時還能造成部件產生微裂紋，導致儀器設備的結構破壞。在信息存儲和傳輸方面，熱脹冷縮將引起器件和材料的外形和微觀結構發生變化，造成信息失真、傳輸失??；另外，在微電子、微機械和其它微型精密系統中，元器件外形的精確性及外形的細微變化都對其功能至關重要，但由于元器件的應用環境有時會面臨較大的溫度變化，因此材料的熱膨脹性質對元器件的尺寸和性能穩定、壽命及應用范圍有顯著影響。因此，熱脹冷縮已是機械電子、光學、醫學、通信等領域(包括軍工)所面臨的普遍問題之一；研究開發出熱膨脹系數可控的低熱膨脹或零膨脹材料可以確保精密結構和器件的尺寸恒定和功能性溫度性，并可大大提高材料的抗熱沖擊性能，延長材料的使用壽命，擴展材料的應用范圍，從而降低生產成本，提高經濟效益和社會效益，具有廣泛的應用前景。

TiNi形狀記憶合金具有很多優異的性能，但隨著科學技術的發展，對TiNi合金的多樣性的應用及使用條件提出了更高的要求。比如，TiNi合金有較高的密度(約為6.22g/cm³)，對需要輕質材料的航空航天應用以及用于高速回轉和高速運轉機具中功能結構和器件而言還是一個棘手的問題；如何在保證優異的綜合力學性能的前提下降低合金的密度，是非常難以克服的問題。

在低熱膨脹材料研究領域，目前研究得較多的是近零膨脹陶瓷，對近零膨脹合金材料的研究相對較少，其中合金復合材料的制備技術是在材料中獲得具有近零膨脹性能的核心問題。由于需要考慮復合的方式，復合材料之間是否會反應或原子間的擴散程度是否會對熱膨脹系數有明顯影響等多種因素，且具有負熱膨脹特性的金屬材料非常少見，通過復合方式獲得近零膨脹復合合金材料還未見報道。

發明內容

本發明針對多孔鈦鎳形狀記憶合金強度不高以及致密鈦鎳形狀記憶合金密度大等缺點，提供一種復合型輕質、高強、且具有近零膨脹的鈦鎳合金基復合材料及其制備方法，以用于尺寸穩定的精密結構和器件的設計和制備。

本發明目的通過如下技術方案實現：

具有近零膨脹特性的TiNi合金基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)按照鈦與鎳原子比為54.00～58.00％∶42.00～46.00％，將純Ti粉和純Ni粉混合均勻；

(2)按照造孔劑占生坯質量百分數5％～20％的比例，將其與步驟(1)所得的混合粉充分混合；

(3)將步驟(2)所得粉末在室溫下壓制成生坯；將壓制好的生坯放入惰性氣體保護下的燒結爐中燒結，使造孔劑完全分解而去除；所述造孔劑為尿素或碳酸氫銨；

(4)按梯級加熱方式升溫，將坯料以10～20℃/min的速率加熱至第一級梯度溫度650～710℃，保溫10～20分鐘；然后以5～10℃/min的速率加熱至第二級梯度溫度770～830℃，保溫10～20分鐘；再以5～10℃/min的速率加熱至第三級梯度溫度950～1050℃，保溫2～4小時后爐冷至420～480℃并保溫30～40分鐘，之后再冷水中淬火處理，制得孔隙均勻分布的多孔TiNi合金；

(5)去除步驟(4)所得多孔TiNi合金樣品表面氧化物雜質相，經超聲波清洗后烘干；