一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备的技术领域。所述方法为：镁合金板和TiNi形状记忆合金丝先形成复合材料预制件，进行真空热压得到复合体；复合体进行变形处理后，得到一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料。在低温条件下将复合体进行变形处理后，升温到马氏体逆相变温度以上，得到的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料中的TiNi形状记忆合金丝发生马氏体逆相变并恢复原始形状，基体镁合金的约束使其难以恢复形状，从而在复合材料内部产生压应力，使复合材料实现自增强效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备的技术领域。

背景技术

镁合金是目前已知最轻的金属结构材料，具有比强度高、比刚度高和减震性能好等优点，加之良好的切削加工性能及易回收环保性，镁及其合金在电子、交通、通讯、航空航天、国防等多个领域有着广泛的应用前景。然而作为结构材料使用时，镁合金的高温力学性能、耐磨性和硬度仍不够理想，使其应用受到了很大限制。

在镁合金中加入增强相制备镁合金复合材料是改善镁合金力学性能的有效途径，也是镁合金研究领域的热点之一。TiNi形状记忆合金因其独有的形状记忆效应、超弹性、发生相变时回复应力大和性能稳定等特性而受到广泛关注，成为制备复合材料的重要组元。目前，有一种用真空热压法制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁锂合金复合材料，其室温力学性能相比基体材料并没有明显提高；另一种脉冲通电热压法(PCHP)制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料室温力学性能也没有明显提高，而且脉冲通电热压法的投资成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，所述方法制备得到的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料实现了自增强效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)形成复合材料预制件：每两块洁净的镁合金板中间铺一层洁净的TiNi形状记忆合金丝，固定，形成复合材料预制件；

(2)真空热压：将所述复合材料预制件放入模具中，将模具放入真空热压设备内，抽真空至2Pa以下，通入保护气体；加热加压，升温至500℃～600℃，升压至10MPa以上，保温保压3h～4h，卸压，随炉冷却，得到复合体；

(3)变形处理：将所述复合体降温到TiNi形状记忆合金丝的马氏体相变温度以下，对所述复合体进行变形处理，将变形后的复合体升温至TiNi形状记忆合金丝的马氏体逆相变温度以上，得到一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料。

优选的，所述TiNi形状记忆合金丝为常温下处于奥氏体态的合金。

优选的，所述模具为石墨模具或45钢模具。

优选的，所述保护气体为氩气或氦气。

优选的，所述变形处理为拉伸、挤压、弯曲或扭转。

有益效果

(1)利用真空热压法制备TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料，在加热及保温过程中基体和增强体软化，在压力的作用下镁合金基体与TiNi形状记忆合金丝在界面结合处发生元素扩散从而形成冶金结合；采用真空热压法可降低对实验设备的要求和工艺复杂度，有效降低实验成本。

(2)在低温条件下将复合体进行变形处理，卸载并升温到马氏体逆相变温度以上，得到的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料中的TiNi形状记忆合金丝发生马氏体逆相变并恢复原始形状，基体镁合金的约束使其难以恢复形状，从而在复合材料内部产生压应力，使复合材料实现了自增强作用。

(3)采用室温下处于奥氏体态的TiNi形状记忆合金丝为增强体，利用TiNi形状记忆合金发生变形时可自发恢复的特点，将复合体在在马氏体相变温度以下施加变形后，通过加热使复合体中的TiNi形状记忆合金丝发生马氏体逆相变，同时，在马氏体逆相变温度以上时TiNi形状记忆合金丝会恢复到原始形状，镁合金基体的约束使这一过程难以进行，从而使复合材料内部产生压应力，残余压应力的存在可实现复合材料的自增强。

(4)可以通过改变TiNi形状记忆合金丝直径或改变TiNi形状记忆合金丝之间的间隔来调节复合材料中TiNi形状记忆合金丝的体积分数，进而增强复合材料的力学性能。

附图说明

图1为实施例1中复合材料预制件铺放示意图；

图2中为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料垂直于TiNi形状记忆合金丝的截面扫描电子显微镜(SEM)图；

图3中为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料界面扫描电子显微镜(SEM)图；

图4中为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料界面局部区域放大扫描电子显微镜(SEM)图；

图5为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的X射线衍射(XRD)图；

图6为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料中TiNi形状记忆合金丝的示差扫描热(DSC)曲线图；

图7为实施例1制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的准静态拉伸真实应力-应变曲线图；

图8为实施例2制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的准静态拉伸真实应力-应变曲线图；

图9为实施例3制备的TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的准静态拉伸真实应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

测试如下：

(1)扫描电子显微镜测试(SEM)：将TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料沿垂直于TiNi形状记忆合金丝和平行于TiNi形状记忆合金丝两个方向分别切取5×5×4mm的试样，打磨、抛光后，利用HITACHI-S4800扫描电镜观测TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料界面。

(2)X射线衍射分析(XRD)：将TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料沿TiNi形状记忆合金丝纵剖面方面切10×10×3mm的长方体并将其表面打磨干净平整，采用CuKα射线源，波长λ＝1.5406A，扫描速率6°/min，扫描角度为20°～120°。

(3)示差扫描热测试(DSC)：将TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料切取含有TiNi形状记忆合金丝且大小为3×1.5×1.5mm的试样，将其打磨至只含有TiNi形状记忆合金丝后进行相变测试，测试时采用纯氩气保护，液氮降温，DSC试验温度范围为-50～100℃，测试中加热冷却速度均为10℃/min。

(4)室温准静态拉伸：将TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料沿平行于TiNi形状记忆合金丝切取拉伸试样，试样标距为20mm，拉伸试验在INSTRON万能试验机上进行，加载应变率为10^-3s^-1。

实施例中复合材料预制件的铺设方式如图1所示，两块镁合金板中间铺设一层TiNi形状记忆合金丝。

实施例1

一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：

(1)预处理：将AZ31镁合金加工两块大小为50×50×3mm的AZ31板，将直径为1mm的TiNi形状记忆直丝剪为55mm的小段，依次用400#、600#、800#、1000#的砂纸打磨掉AZ31板及TiNi形状记忆合金丝表面的污渍及氧化层，在无水乙醇中超声清洗30min，冷风吹干；将TiNi形状记忆合金丝保存在干净的自封袋中，将AZ31板放入酒精中保存以防止氧化；

(2)形成复合材料预制件：将一块AZ31板放置在平整干净的台面上，在其表面密排50根TiNi形状记忆合金丝铺设，在铺好的TiNi形状记忆合金丝层上面铺设第二块AZ31板，微调第二块AZ31板的位置使其与第一块AZ31板对齐，用透明胶带固定，得到复合材料预制件；

(3)真空热压：在石墨模具内的每个面铺放石墨纸，将所述复合材料预制件放入模具中。将模具放入真空热压炉腔中，首先将真空热压炉的真空度抽至2Pa以下，通入氩气，升温至600℃，升压至12MPa，保温保压3h，卸载压力，随炉冷却，得到复合体。

(4)变形处理：在复合体上沿平行TiNi形状记忆合金丝方向切取拉伸试样，拉伸试样分为两端的夹持段、中间的平行段以及夹持段与平行段之间的圆角过渡段，将所述拉伸试样放入装有纯净水的自封袋内，在冰箱中结冰(0℃)。将封在冰中的拉伸试样迅速安装在INSTRON万能试验机上，沿着平行于TiNi形状记忆合金丝的方向以10^-3s^-1的应变速率施加1％的拉伸变形，取下试样，将变形处理后的试样升温至室温，得到一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行SEM分析，结果如图2、3和4所示，从图2中可以看出TiNi形状记忆合金丝截面仍呈圆柱形，说明在热压过程中TiNi形状记忆合金丝没有发生变形，从图3中可以看出所述复合材料中镁合金基体与TiNi形状记忆合金丝之间形成良好的界面结合，没有裂缝、孔洞等缺陷，从图4中可以看出TiNi形状记忆合金丝与镁合金基体之间形成冶金结合，界面处存在约为2μm的扩散层。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行XRD分析，结果如图5所示，可知所述复合材料主要含α镁和B2奥氏体相，未出现Ti、Ni析出相及其它金属间化合物，说明在热压过程中镁合金基体与TiNi形状记忆合金丝没有发生严重的反应，TiNi形状记忆合合金丝也没有产生过多析出相。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行DSC分析，结果如图6所示，当B2奥氏体相向B19’马氏体相转变时，对应的马氏体相变开始温度Ms＝33.7℃，马氏体相变结束温度Mf＝11.7℃，当B19’马氏体相向B2奥氏体相转变时，马氏体逆相变开始温度As＝4.9℃，马氏体逆相变结束温度Af＝37.4℃，因此本实验在0℃施加1％的拉伸应变，即可实现TiNi形状记忆合金丝在马氏体状态的变形，变形后将温度升高到室温(马氏体逆相变温度以上)，TiNi形状记忆合金丝发生马氏体逆相变，对镁合金基体产生压应力，实现了复合材料的自增强。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行室温准静态拉伸试验，结果如图7所示，复合材料的室温抗拉强度达275MPa。

实施例2

一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：

(1)预处理：将AZ31镁合金加工两块大小为50×50×3mm的AZ31板，将直径为0.5mm的TiNi形状记忆合金直丝剪为55mm的小段，依次用400#、600#、800#、1000#的砂纸打磨掉AZ31板及TiNi形状记忆合金丝表面的污渍及氧化层，在无水乙醇中超声清洗30min，冷风吹干。将TiNi形状记忆合金丝保存在干净的自封袋中，将AZ31板放入酒精中保存以防止氧化；

(2)形成复合材料预制件：将一块AZ31板放置在平整干净的台面上，在其表面逐根将100根备好的TiNi形状记忆合金丝密排铺设，在铺好的TiNi形状记忆合金丝上面铺设第二块AZ31板，微调第二块AZ31板的位置使其与紧挨台面的第一块AZ31板对齐，用透明胶带固定，得到复合材料预制件；

(3)真空热压：在石墨模具内的每个面铺放石墨纸，将复合材料预制件放入模具中。将模具放入真空热压炉腔中，首先将设备的真空度抽至2Pa以下，升温至550℃，升压至12MPa，保温保压4h，卸载压力，随炉冷却，得到复合体。

(4)变形处理：将所述复合体加工为规则的长方体试样，将其放入装有纯净水的自封袋内，在冰箱中结冰。将封在冰中的复合材料试样迅速安装在INSTRON万能试验机上，沿着平行于TiNi形状记忆合金丝的方向以10^-3s^-1的应变速率施加2％的拉伸变形，取下试样，将变形处理后的试样升温至室温，得到一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行SEM分析，结果与实施例1类似，TiNi形状记忆合金丝与镁合金基体的界面结合良好。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行XRD分析，结果与实施例1类似，复合材料中只含有α镁和B2奥氏体相，未出现其他析出相。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行DSC分析，结果和实施例1类似。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行拉伸试验，结果如图8所示，所述复合材料的室温抗拉强度达290MPa。

实施例3

一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：

(1)预处理：将AZ31镁合金加工三块大小为50×50×3mm的AZ31板，将直径为1mm的TiNi形状记忆直丝剪为55mm的小段，依次用400#、600#、800#、1000#的砂纸打磨掉AZ31板及TiNi形状记忆合金丝表面的污渍及氧化层，在无水乙醇中超声清洗30min，冷风吹干。将TiNi形状记忆合金丝保存在干净的自封袋中，将AZ31板放入酒精中保存以防止氧化；

(2)形成复合材料预制件：将一块AZ31板放置在平整干净的台面上，在其表面逐根将50根备好的TiNi形状记忆合金丝密排铺设，在铺好的TiNi形状记忆合金丝上面铺设第二块AZ31板，在第二块AZ31板上再铺设一层TiNi形状记忆合金丝，在其上面铺一块AZ31板，用透明胶带固定，得到复合材料预制件；

(3)真空热压：在石墨模具内的每个面铺放石墨纸，将复合材料预制件放入模具中。将模具放入真空热压炉腔中，将真空度抽至2Pa以下，升温至600℃，升压至12MPa，保温保压4h，卸载压力，随炉冷却，得到复合体。

(4)变形处理：将所述复合体加工为规则的长方体试样，将其放入装有纯净水的自封袋内，在冰箱中结冰。将封在冰中的复合材料试样迅速安装在INSTRON万能试验机上，沿着平行于TiNi形状记忆合金丝的方向、以10^-3s^-1的应变速率施加2％的拉伸变形，取下试样，将变形处理后的试样升温至室温，得到一种TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行SEM分析，结果与实施例1类似，TiNi形状记忆合金丝与基体镁合金界面结合良好。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行XRD分析，结果与实施例1类似，复合材料所含相为α镁和B2奥氏体相。

对所述TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料试样进行DSC分析，测得的结果和实施例1类似。

对TiNi形状记忆合金丝增强镁合金复合材料进行拉伸试验，结果如图9所示，所述复合材料的室温抗拉强度达310MPa。

发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。