本发明专利技术公开了一种具有近零膨胀特性的TiNi基复合材料及其制备方法。该方法照钛与镍原子比为54～58％∶42～46％，将纯Ti粉和纯Ni粉混合均匀，以造孔技术结合单元金属粉末梯级烧结法制备出孔隙均匀分布的具有负热膨胀行为的多孔TiNi合金，再采用轻金属无压浸渗技术，向多孔TiNi合金孔隙中引入具有常规正热膨胀行为的镁合金，制得具有近零膨胀特性的TiNi基复合材料。按照本发明专利技术制备的TiNi基复合材料仍具有形状记忆效应和超弹性行为，并具有比致密TiNi合金质量轻、比普通多孔TiNi合金更优异的强度，同时在一定条件下更具有近零膨胀特性；本发明专利技术可用于近零膨胀材料的制造以及对材料的热膨胀系数进行调控。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对温度变化呈现近零膨胀性质新型材料的制备技术，特别是涉及一种具有近零膨胀性能的TiM形状记忆合金基复合材料的制备方法。
技术介绍
在航空航天、机械工程、精密仪器等领域大量应用的功能结构、部件和设施中，各种材料因温度变化而发生热胀冷缩的现象很大程度地制约着结构和部件的服役性能和可靠性。例如，航空航天结构和器件通常要经历环境温度的剧烈变化，因而不同材料间热膨胀系数的差异会引起结构和器件内部很大的内应力，并导致孔、销、键类等结构原有配合产生变化(譬如三种典型的过渡配合、过盈配合、间隙配合之间的变化)而带来功能失效；严重时还能造成部件产生微裂纹，导致仪器设备的结构破坏。在信息存储和传输方面，热胀冷缩将引起器件和材料的外形和微观结构发生变化，造成信息失真、传输失败；另外，在微电子、 微机械和其它微型精密系统中，元器件外形的精确性及外形的细微变化都对其功能至关重要，但由于元器件的应用环境有时会面临较大的温度变化，因此材料的热膨胀性质对元器件的尺寸和性能稳定、寿命及应用范围有显著影响。因此，热胀冷缩已是机械电子、光学、医学、通信等领域(包括军工)所面临的普遍问题之一；研究开发出热膨胀系数可控的低热膨胀或零膨胀材料可以确保精密结构和器件的尺寸恒定和功能性温度性，并可大大提高材料的抗热冲击性能，延长材料的使用寿命，扩展材料的应用范围，从而降低生产成本，提高经济效益和社会效益，具有广泛的应用前景。TiNi形状记忆合金具有很多优异的性能，但随着科学技术的发展，对TiNi合金的多样性的应用及使用条件提出了更高的要求。比如，TiM合金有较高的密度(约为6.22g/ cm3)，对需要轻质材料的航空航天应用以及用于高速回转和高速运转机具中功能结构和器件而言还是一个棘手的问题；如何在保证优异的综合力学性能的前提下降低合金的密度， 是非常难以克服的问题。在低热膨胀材料研究领域，目前研究得较多的是近零膨胀陶瓷，对近零膨胀合金材料的研究相对较少，其中合金复合材料的制备技术是在材料中获得具有近零膨胀性能的核心问题。由于需要考虑复合的方式，复合材料之间是否会反应或原子间的扩散程度是否会对热膨胀系数有明显影响等多种因素，且具有负热膨胀特性的金属材料非常少见，通过复合方式获得近零膨胀复合合金材料还未见报道。
技术实现思路
本专利技术针对多孔钛镍形状记忆合金强度不高以及致密钛镍形状记忆合金密度大等缺点，提供一种复合型轻质、高强、且具有近零膨胀的钛镍合金基复合材料及其制备方法，以用于尺寸稳定的精密结构和器件的设计和制备。本专利技术目的通过如下技术方案实现具有近零膨胀特性的TiNi合金基复合材料的制备方法，包括如下步骤(I)按照钛与镍原子比为54. 00 58. 00% 42. 00 46. 00%，将纯Ti粉和纯 Ni粉混合均匀；(2)按照造孔剂占生坯质量百分数5% 20%的比例，将其与步骤⑴所得的混合粉充分混合；(3)将步骤(2)所得粉末在室温下压制成生坯；将压制好的生坯放入惰性气体保护下的烧结炉中烧结，使造孔剂完全分解而去除；所述造孔剂为尿素或碳酸氢铵；(4)按梯级加热方式升温，将坯料以10 20°C /min的速率加热至第一级梯度温度650 710°C，保温10 20分钟；然后以5 10°C /min的速率加热至第二级梯度温度 770 830°C，保温10 20分钟；再以5 10°C /min的速率加热至第三级梯度温度950 1050°C，保温2 4小时后炉冷至420 480°C并保温30 40分钟，之后再冷水中淬火处理，制得孔隙均匀分布的多孔TiNi合金；(5)去除步骤⑷所得多孔TiNi合金样品表面氧化物杂质相，经超声波清洗后烘干;(6)将浸渗材料镁合金AZ91D和覆盖剂放入坩埚内，覆盖剂均匀覆盖在镁合金上表层，避免镁合金AZ91D在高温中氧化；放入加热炉中以10 30°C /min的速率加热到 680 750°C后，将步骤(5)所得样品置于镁合金AZ91D熔融液体中并完全浸没，同时按照与镁合金质量比为0. 5-2 10补充覆盖剂，保温I 3小时，使镁合金AZ91D熔化后在毛细作用下渗入多孔TiNi合金的孔隙中，制得在100°C 150°C温度区间内具有近零膨胀特性的TiNi合金基复合材料，所述近零膨胀特性为热膨胀系数绝对值低于I. 0 X 10- -1 ；以质量百分比计，所述覆盖剂原料配方组成为MgCl2 :43-47% ；KC1 :33-37%；CaF2 4-6%；NaCl 13-17%。进一步地，所用纯Ti粉或纯Ni粉的平均粒径均为50 y m ;钛与镍原子比优选为 56. 2% 43. 8%。所述惰性气体优选为氩气，其纯度高于99. 99%。所述烧结炉为电加热管式烧结炉，加热炉为电加热坩埚电阻炉。步骤⑶所述烧结由室温升温至200 300°C后保温0. 5 I. 5小时所述造孔剂优选为经过筛分后形貌规则的尿素或碳酸氢铵，粒径为200 300 u m、300 450 u m、450 600 u m 或 600 900 u m 中的一种。所述去除步骤(4)所得多孔TiNi合金样品表面氧化物杂质相是用细砂纸研磨多孔TiNi合金样品表面。所述覆盖剂与浸渗材料镁合金AZ91D的质量比为1-2 3。本专利技术的一种具有近零膨胀特性的TiNi合金基复合材料，由上述方法中的任意一种制备。当前，近零膨胀的复合材料研究主要集中在非金属基复合材料，对金属基复合材料的近零膨胀研究很少，多孔TiNi合金基复合材料的近零膨胀研究还未见到报道，可供选择的复合原材料不多。从实现轻质方面来看，将TiNi形状记忆合金制成多孔结构被认为是一个很好的途径。但近期研究表明，普通多孔TiNi形状记忆合金由于空隙的存在降低了 TiNi合金的强度和线性超弹性能力，孔隙率增大和空隙尺寸增大均使TiNi合金强度和线性超弹性能力降低；多孔TiNi形状记忆合金相对于其致密态而言，阻尼性能较差，对外界环境的抗蚀性也较差。TiNi形状记忆合金是目前综合性能最优、应用最广泛的智能金属材料，具有优异的形状记忆效应和超弹性能力，以及良好的生物相容性、耐蚀性和耐磨性等， 在航空航天、仪器仪表、机械工和生物医学、等领域的应用愈来愈广。目前对TiNi形状记忆合金的已有广泛的研究，近年发现TiM合金具有负热膨胀特性。在金属结构材料和功能材料中，纯镁密度(1.74g/cm3)最小，其高比强度、高比弹性模量和高阻尼减振性等特点是铝和钢铁所不能替代的。通过加入合金化元素能显著提高镁的力学性能，使镁合金的比强度在各类合金中仅次于钦合金。AZ91D是最常用的 Mg-Al-Si系合金(主要合金含量的重量百分比为:A1 :8. 3 9.0%，Zn :0. 35 1·0%，Μη: 0. 15 0. 5%, Si < 0. 10%, Cu < 0. 03%, Ni < 0. 002%, Fe < 0. 005%, Mg 为余量)，具有优良的耐蚀性和良好的强度，在20 200°C温度范围内的平均热膨胀系数为27 X 10- -1, 主要用于汽车、计算机零件、运动器具和家用电器等。从现有的TiM合金材料来看，单一合金材料很难同时实现具有轻质、力学性能优良和近零膨胀等特点。本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，关锐峰，马骁，罗军平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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