[发明专利]一种具有形状记忆效应的NxMy高熵合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高熵合金和形状记忆合金材料领域，具体涉及一种具有形状记忆效应N_xM_y高熵合金及其制备方法。

背景技术

金属及高熵合金的形状记忆原理是晶体结构具有可以随温度发生变化的规律，且受到材料的成分、结构和相变等的影响。形状记忆特性用变形回复系数表示。1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。航空事业的迅猛发展以及机械电子和生物医疗行业的爆发，引起市场对不同合金系，以及不同性能要求的大幅上涨，促使了形状记忆合金的多元化发展，形状记忆合金目前已发展到几十种，也因其许多优异的性能而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。普通的形状记忆金属发生相变的温度一般在室温以上，而且形状记忆温度范围较窄，一般的高熵金属材料不存在形状记忆效应。

为满足不同温度下所需的各种形状记忆合金，人们研发了一大批高温或低温形状记忆合金，从1963年美国海军机械研究所开创“形状记忆”实用阶段以来，相继开发了Ni-Ti基、Cu-Al2-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金，到上世纪80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金。90年代后高温形状记忆合金、宽滞后形状记忆合金成为研究热点。但是，目前市场存在以下三个方面的问题：

1)由于高熵合金为新型金属材料，尚未在高熵合金系列内发明高熵形状记忆合金；

2)由于形状记忆合金单一相相变温度较稳定，调节相变温度较困难；

3)由于一般形状记忆合金相变在极低温较难发生，所以服役温度较高，低温形状记忆合金种类较少。

由于以上原因，使用现有的形状记忆合难以满足工业上在低温下的应用要求，阻碍了低温工业的进一步发展；另外，高熵合金发明形状记忆合金，利用高熵合金的特点有效调节相变温度点，也促使相变发生的更容易。因此研发可用于低温、在较大温度区间能保持形状记忆效应的新型合金成为此领域的新研究方向。

发明内容

本发明内容针对目前形状记忆合金存在的使用温度有限，相变温度较难调节，且高熵合金中未发明形状记忆合金的特点，提出了一种具有形状记忆效应的N_xM_y高熵合金及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的具有形状记忆效应的N_xM_y高熵合金，其中包括：45％～55％的N和45％～55％的M。

所述的N要求为Ta、Nb、Hf、Zr、Ti、Mo、W中的二种或多种元素，且每种元素的含量大于等于5％，小于等于35％；M要求为V、Mn、Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Zn中的二种或多种元素，且每种元素的含量大于等于5％，小于等于35％；。

合金中主要元素的作用：N是高熔点合金元素，同时也是促进形成体心立方结构的元素；M是促进形成面心立方结构的元素，增加结构中元素的混乱度，促使体心立方B2相的析出。

合金的形状记忆性能除受合金的成分影响外，还受到合金的组织结构的影响。本发明的形状记忆高熵合金采用真空电弧熔炼炉熔炼，直接浇铸成型，工艺非常简单。

本发明的制备方法包括以下步骤：

步骤一：取45％～55％的M加入真空电弧炉，取45％～55％的N加入真空电弧熔炼炉，置于M上层，将M覆盖。

步骤二：打开电弧，先用小电弧将上层N元素烧红，之后将电流调大使N熔化后和下层M熔融在一起。

步骤三：再分多次将合金锭置于坩埚中,并与水平面呈20°～40°的夹角，反复熔炼4次及以上。