一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法技术

一种使熔体抽拉Ni‑Mn‑Ga‑Fe金属纤维晶粒长大的方法，涉及一种使金属纤维晶粒长大的方法。是要解决熔体抽拉法制备的合金纤维存在形状记忆应变值和磁性能较低的问题。方法：一、制备合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；二、将铸锭放入丙酮中超声，清洗，烘干；三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。可快速使晶粒长大，本发明专利技术的热处理时间仅为5‑10min，避免繁琐冗长的热处理过程，且真空氩气保护下纤维不会形成氧化层。本发明专利技术用于使金属纤维晶粒长大。

A method of melt pulling Ni Mn Ga Fe metal fiber grain growth

A method of melt pulling Ni Mn Ga Fe metal fiber grain growth, relates to a method of metal fiber grain growth. It is necessary to solve the problem of shape memory strain and magnetic property of the alloy fibers produced by melt pulling method. Methods: a preparation of alloy bar, cut into cylindrical ingot by WEDM; two, the ingot into acetone ultrasonic cleaning, drying; three, using melt pulling alloy fiber method, selected uniform diameter alloy fiber for ultrasonic cleaning, and then the fibers were annealed in vacuum by vacuum annealing after annealing furnace, removal of fiber, method of grain growth is complete. Rapid grain growth, heat treatment time of the invention is only 5 10min, to avoid the heat treatment process cumbersome, and vacuum under argon fiber will not form an oxide layer. The invention is used for growing grain of metal fiber.

【技术实现步骤摘要】
一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法
本专利技术涉及一种使金属纤维晶粒长大的方法。
技术介绍
Ni-Mn-Ga合金是发现最早、也是目前研究最为广泛的铁磁形状记忆合金之一。它实现了大输出应变与高响应频率的结合，输出应力接近温控形状记忆合金等。但是，该合金脆性大和可加工性能差等固有缺点在很大程度上限制了这种材料的应用和发展。为此，材料科学工作者希望采用合金化、细化晶粒、特殊制备工艺及热处理等方法提高合金的韧性，其中合金化和细化晶粒等取得了明显效果。掺杂铁磁性元素Fe可以成功调控马氏体相变温度、显著改善力学性能、增加塑性，提高居里温度和磁性能。在多晶棒Ni54Mn25Ga21合金中，具有10～50μm细小晶粒时，压缩断裂强度和应变可分别达970MPa和10％，但是形状记忆应变比单晶减小了～1.9％，形状记忆恢复比仅为57％。这是因为细化晶粒的方法势必会因晶界的增多而致使孪晶界运动阻力增加，这对于磁性能和应力诱发马氏体相变、获得形状记忆应变是极为不利的，故而形状记忆恢复比较低。为此，可以减小块体合金样品尺寸，制备成纤维材料，利用纤维晶粒易长大的特点来改善。熔体抽拉法制备Ni-Mn-Ga-Fe纤维，由于快速凝固冷速较高，纤维直径仅为50μm，具有极细小的胞晶晶粒，显示了稳定的超弹性特征和良好的磁热效应，但是显然所获得的形状记忆应变是低的，仅为1％。熔体抽拉法制备的纤维具有极细小的胞晶，受到多晶界所限，极大的限制了形状记忆应变值和磁性能，
技术实现思路
本专利技术是要解决熔体抽拉法制备的合金纤维存在形状记忆应变值和磁性能较低的问题，提供一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法。本专利技术使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，按以下步骤进行：一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭，所述圆柱形铸锭的直径Φ3～30mm，长度4～100mm；二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液(室温)中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀为30μm，长度为1cm的纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：打开安全门，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮，固定铜制平口夹的位置，关闭安全门；随后将两根导线分别连接稳流电源的正极和负极，使其可以提供给纤维所需的退火电流；开启机械泵和低真空阀，将真空退火炉的真空工作室抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀，再次抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至0.5～5×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至工作室氩气压力达到并维持在300Pa；接通稳流电源，调节电流幅值为150～230mA，控制退火时间为5～10min，通过观察窗观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。进一步的，步骤三中制备合金纤维的具体方法为：使用制备金属非晶丝的装置，将步骤二干燥后的铸锭置于氮化硼坩埚内，然后将腔体抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气，接着再抽真空至0.5×10-3～5×10-3Pa，然后再充入高纯氩气至腔体内氩气压力达35～65Pa，保压；启动金属辊轮，设置金属辊轮转速为800～1800r/min；辊轮运行平稳后，开启感应加热装置，加热坩埚，使合金铸锭熔化，然后将加热功率在10～25kW调节，待母合金完全熔化，在表面张力作用下形成向上凸起，停止调节，恒定加热功率为20kW，保持合金熔液温度为1300～1550℃；控制坩埚向金属辊轮方向移动，调节坩埚的进给速率为3×10-5m/s；合金熔液消耗完后，停止坩埚的移动，然后关闭感应加热装置，再停止金属辊轮，取出合金纤维。进一步的，步骤三所述真空退火炉包括机械泵、低真空阀、放气阀、高真空阀、安全门、加料室、出线口、观察窗、导线、固定按钮、铜制平口夹、调平螺母、炉体、真空工作室和底座，所述机械泵与炉体相连，所述机械泵的上端设有低真空阀，所述机械泵与炉体之间设有放气阀，所述炉体内空腔为真空工作室，所述炉体顶部设有加料室，所述加料室与真空工作室相连通，所述加料室顶部设有安全门，所述安全门在关闭状态时与加料室密闭连接，所述炉体与加料室的连接处设有高真空阀，所述炉体的侧壁上设有观察窗和两个出线口，所述真空工作室内设有固定按钮、调平螺母和两个铜制平口夹，其中一个铜制平口夹固定在固定按钮上，另一个铜制平口夹固定在调平螺母上，每个铜制平口夹的尾部分别连接一根导线，两根导线分别从两个出线口伸出至炉体外侧，所述炉体底部设有底座。本专利技术方法的原理：熔体抽拉法制备Ni-Mn-Ga-Fe纤维，具有极细小的胞晶晶粒，显示了稳定的超弹性特征和良好的磁热效应，但是显然所获得的形状记忆应变是低的，仅为1％。熔体抽拉法制备的纤维具有极细小的胞晶，受到多晶界所限，极大的限制了形状记忆应变值和磁性能，如果能使纤维截面上晶粒数目减少到类似于单晶水平，可获得更为可观的延伸率并提高其磁性能。本专利技术采取真空电流退火方式，释放快速凝固制备丝材所引入的残余内应力，使熔体抽拉纤维截面上晶粒长大至单晶或是少晶的纤维，孪晶界减少，为获得大的延伸率提供可能，明显提高其磁性能，同时便于拉伸获得形状记忆高应变值。本专利技术的有益效果：本专利技术采用熔体抽拉液态成形技术制备出小尺寸纤维，清洗后，在自制高真空电流退火工作室中采用不同电流幅值和退火时间的热处理，可获得维截面上的晶粒长大成为单晶或是少晶的竹节状纤维，同时释放快速凝固制备丝材所引入的残余内应力。该专利技术有效使纤维内部晶粒长大，孪晶界减少，自由表面增多，可明显提高晶粒尺寸与纤维直径间的交互作用，在形状记忆效应和超弹性中可以获得接近于单晶的可观的应变值。该退火方式显著的特征是纤维没有包覆层，排除了因去除包覆层而破坏纤维表面并导致其性能降低的可能，电流退火还可使因快速凝固过程中未占据正确格点位置的原子重新排列，使原子排列有序度得以提高，故可明显提高其磁性能，故经真空电流退火的纤维具有较高的研究价值。本专利技术选择的退火方式与以往的热处理相比，最明显的优势在于可快速使晶粒长大，本专利技术的热处理时间仅为5-10min，避免繁琐冗长的热处理过程，且真空氩气保护下纤维不会形成氧化层，从实用性方面更为方便。附图说明图1为本专利技术方法中真空退火炉的结构示意图；其中1为机械泵，2为低真空阀，3为放气阀，4为高真空阀，5为安全门，7为加料室，8为出线口，9为观察窗，10为导线，11为固定按钮，12为铜制平口夹，17为调平螺母，14为炉体，15为真空工作室，16为底座；图2为实施例1制备的纤维的宏观形貌图；图3为对实施例1制备的纤维进行弯折的韧性测试；图4为实施例1制备的纤维的平表面和圆弧表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使熔体抽拉Ni‑Mn‑Ga‑Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、按照Ni‑Mn‑Ga‑Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni‑Mn‑Ga‑Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：打开安全门(5)，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹(12)上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母(17)使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮(11)，固定铜制平口夹(12)的位置，关闭安全门(5)；随后将两根导线(10)分别连接稳流电源的正极和负极；开启机械泵(1)和低真空阀(2)，将真空退火炉的真空工作室(15)抽真空至0.5～5×10

【技术特征摘要】
1.一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：一、按照Ni-Mn-Ga-Fe合金组分中的元素含量配制原料，然后采用真空感应熔炼炉熔炼制备得Ni-Mn-Ga-Fe合金棒材，采用电火花线切割机切割成圆柱形铸锭；二、将铸锭放入丙酮中超声10分钟后，放入质量浓度为5％～30％的硝酸水溶液中浸泡2～10分钟，取出后放入蒸馏水中清洗3～5次，在100～150℃下烘干30～120分钟；三、使用熔体抽拉法制备合金纤维，挑选直径均匀的合金纤维进行超声清洗，然后用真空退火炉对纤维进行真空退火处理，具体方法为：打开安全门(5)，将清洗后的纤维两端分别轻轻夹入两个铜制平口夹(12)上，使纤维呈绷直状态，调整调平螺母(17)使纤维处于水平方向上，并旋紧固定按钮(11)，固定铜制平口夹(12)的位置，关闭安全门(5)；随后将两根导线(10)分别连接稳流电源的正极和负极；开启机械泵(1)和低真空阀(2)，将真空退火炉的真空工作室(15)抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；开启高真空阀(4)，再次抽真空至0.5～5×10-3Pa，充入纯度为99.9％的氩气；第三次抽真空至0.5～5×10-3Pa，然后充入纯度为99.9％的氩气直至真空工作室(15)氩气压力达到并维持在300Pa；接通稳流电源，调节电流幅值为150～230mA，控制退火时间为5～10min，通过观察窗(9)观察纤维电流退火时状态的变化，退火结束后，打开放气阀(3)，取出退火后的纤维，即完成晶粒增长的方法。2.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤一中所述Ni-Mn-Ga-Fe合金为Ni47.9Mn24.5Ga24.3Fe3.3。3.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤一中所述圆柱形铸锭的直径为Φ3～30mm，长度为4～100mm。4.根据权利要求1所述的一种使熔体抽拉Ni-Mn-Ga-Fe金属纤维晶粒长大的方法，其特征在于步骤三中制备合金纤维的具体方法为：将步骤二干燥后的铸锭放入制备金属非晶丝的装置的坩埚中，然后将腔体抽真空至0.5×10-3～5×10-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳芬，张学习，孙剑飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23