[發明專利]一種調控鎳鈦合金應力應變響應以提高制冷性能的方法

在審

• 申請號: 202110258414.4
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112899596A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 陳俊余;方剛;雷麗萍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C22F1/10
• 分類號: C22F1/10;C09K5/14
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 陳丹;張奎燕

本發明提供一種調控鎳鈦合金應力應變響應以提高制冷性能的方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、采用緩慢冷軋工藝制備平均晶粒度約為5～50nm的納米晶鎳鈦基體；步驟2、將步驟1所制備鎳鈦打磨、拋光至鏡面；步驟3、使用連續激光束將步驟2所得鎳鈦進行表面熱加工，通過控制激光功率(50～200W)，激光掃描速度(100～3000mm/s)，激光掃描線間距(5～500μm)3個參數設計出具有不同粗細晶占比的鎳鈦塊體。本發明利用激光加工技術對強塑變鎳鈦內部的晶粒尺寸分布進行精準設計，實現其應力應變響應調控及制冷性能優化。此外，該制備方法工序簡單，理論成熟，成本低廉，可根據實際需求快速設定加工參數并進行構件量產，具有非常廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于金屬材料微觀組織設計、熱力學性能調控領域，具體涉及制備具有不同粗細晶占比的梯度晶粒結構超彈性鎳鈦形狀記憶合金的方法。

背景技術

鎳鈦合金是目前使用最廣泛的形狀記憶合金。但不同的領域對其力學性能要求不同，例如，作為抗震阻尼器件時要求其具有可觀的能量吸收能力和延展性，而作為心血管支架和眼鏡框架時則要求其擁有高的強度和循環穩定性以及小的相變耗散。此外，當前以鎳鈦合金為核心部件的固態制冷領域要求該材料既擁有粗晶組織所具有的大潛熱，又要求其具備超細納米晶組織所具有的低能量耗散。針對鎳鈦合金在固態制冷中應用，迫切需要一種方法，能根據實際需求精準調控粗細晶占比，以達到應力應變響應和相變行為的調控，從而實現制冷性能的優化。

發明內容

針對現有應用需求，本發明為解決現有技術中存在的問題采用的技術方案如下：

一種調控鎳鈦合金應力應變響應以提高制冷性能的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、采用多道次緩慢冷軋的強烈塑性變形(以下簡稱強塑變)工藝，制備出平均晶粒尺寸約為5～50nm的納米晶超彈性鎳鈦形狀記憶合金薄板基體；

步驟2、將步驟1所制備納米晶鎳鈦合金打磨、拋光至鏡面；

步驟3、將步驟2所得鎳鈦合金使用連續激光束進行表面熱加工，通過控制激光功率(50～200W)，激光掃描速度(100～3000mm/s)，激光掃描線間距(5～500μm)3個參數設計出具有不同粗細晶占比的鎳鈦合金塊體。

所述步驟1中超細納米晶鎳鈦合金基體可為其他類型的記憶合金，如鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金鈷系合金等形狀記憶合金。

所述步驟1中強塑變冷軋過程控制軋件入口速度在10mm/s以下，軋輥每次下壓向量不大于0.5mm，冷軋過程可間斷性使用冷水冷卻軋輥和鎳鈦板。

所述步驟1中的原材料為晶粒度大于100nm的商用超彈性鎳鈦合金板，為使強塑變冷軋過程中板材變形均勻且較少微裂紋生成，鎳鈦外層包裹不銹鋼板，通過單向多道次軋制使基體平均晶粒度減小至50nm以下，板材變形量達20％～60％之間為宜。

所述步驟2中，通過手動打磨軋制后的鎳鈦板，砂紙由粗到細，待到無肉眼可見劃痕后，將其置于拋光液中進行震動拋光，直至光鏡下無可見劃痕為止。

所述步驟3中激光會在軋制薄板表面沿厚度方向形成遞減的溫度場，通過控制激光功率，激光掃描速度，掃描線間距3個參數進而控制輸入的能量，實際應用可根據需要加工構件的幾何尺寸和初始微觀組織調整參數，從而制備出滿足要求和含有理想粗細晶分布的樣品。

所述步驟3中的操作需在密閉艙室內進行，首先將需要加工的樣品固定于艙室內的基板上，對密閉艙抽真空，隨后通入氬氣，待氧含量降低到200ppm以下后進行激光表面加工。

本發明具有如下優點：