專利名稱：一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金及作為管接頭的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可在低溫環(huán)境下用來連接高壓管路之間的管接頭以及一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金材料。
背景技術(shù)：
目前，在航空、航天、空調(diào)、石油管道液壓和氣路等的各管路連接中，大都采用傳統(tǒng)的鋼制結(jié)構(gòu)的管接頭。而各管路之間由于受到機械振動、高溫、高壓環(huán)境等因素的影響，容易出現(xiàn)漏油、漏氣等故障，使機械設(shè)備無法正常工作。
TiNi基形狀記憶合金(SMA)作為一種新型金屬功能材料，因其馬氏體相變的相變點穩(wěn)定和容易控制，并且具有優(yōu)良的力學(xué)性能，良好的耐腐蝕性和大的形狀記憶效應(yīng)而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、生活等領(lǐng)域。
在TiNi基形狀記憶合金的基礎(chǔ)上，通過填加高純度的金屬鐵(Fe)元素來降低合金的相變點，制備出低相變點TiNiFe形狀記憶合金。
然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對航空、航天等飛行器的飛行速度也越來越快，同時對管路系統(tǒng)承受的壓力越來越高，而低相變點TiNiFe形狀記憶合金由于抗拉強度(σb)和屈服強度(σs)相對較低，已不能完全滿足高壓工作壓力管接頭的要求，因此需要研究開發(fā)一種具有低相變點和高強度TiNi基形狀記憶合金及其采用該合金制造管接頭來滿足更高工作壓力的要求。
在低相變點的TiNiFe形狀記憶合金的基礎(chǔ)上，再填加少量的金屬鉬(Mo)元素制備的TiNiFeMo形狀記憶合金不僅具有低相變點而且強度也得到提高，采用該形狀記憶合金制造的管接頭具有更高的緊箍力。采用該形狀記憶合金制造的管接頭來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制管接頭不僅減輕了構(gòu)件的重量，而且使得構(gòu)件更安全可靠，使得整個系統(tǒng)的綜合性能明顯提高，帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金材料。該合金材料具有相變點低、強度高、耐腐蝕等特點。
本發(fā)明的目的之二是提供一種連接各管路之間的管接頭。該管接頭具有承受更高工作壓力，不僅具有低相變點而且強度也得到提高、較大緊箍力，且重量比鋼制結(jié)構(gòu)的管接頭輕，其安全可靠，使整個機械設(shè)備的管路系統(tǒng)性能明顯提高。
本發(fā)明的一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其組份和含量為0.1％～4％鐵(Fe)、0.1％～5％鉬(Mo)、45％～50％鈦(Ti)和45％～50％鎳(Ni)組成，所有百分?jǐn)?shù)為原子百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。經(jīng)測試，該低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金的馬氏體開始相變溫度(Ms)為室溫至-200℃，形狀記憶效應(yīng)(SME)4％～8％，室溫抗拉強度(σb)為600MPa～850MPa，室溫屈服強度(σs)為250MPa～550MPa，室溫延伸率(δ)為10.0％～30.0％。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，可以是組份為Ti50Ni48Mo1.5Fe0.5形狀記憶合金或Ti50Ni47Mo1.5Fe1.5形狀記憶合金。
本發(fā)明的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金可采用機械加工方法制成用于連接管件的管接頭。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其管接頭的平整段兩端設(shè)有收縮段，平整段內(nèi)可以設(shè)有筋；或者，平整段內(nèi)可以為光滑平面。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其結(jié)構(gòu)是管道形狀，管接頭內(nèi)設(shè)有筋。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，在室溫至-196℃的低溫環(huán)境下進行擴孔與各管件連接。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，可以用于航空、航天、空調(diào)、石油管道的液壓和氣路系統(tǒng)中各管件的連接。
所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，適用的環(huán)境溫度為一55℃～+500℃，適用的工作壓力為10MPa～35MPa。
本發(fā)明的優(yōu)點在TiNi形狀記憶合金的基礎(chǔ)上，通過添加一定量的鐵(Fe)和鉬(Mo)元素，制備出低相變點高強度的TiNiFeMo形狀記憶合金，該合金的馬氏體開始相變溫度(Ms)點在室溫至-200℃，室溫抗拉強度(σb)為大于780MPa，室溫屈服強度(σs)為大于500MPa。使用該合金制造的形狀記憶合金管接頭，在室溫至-196℃的低溫環(huán)境下進行擴孔與各管件進行連接，當(dāng)溫度自然回復(fù)到室溫，管接頭將抱緊被連接的各管件。該形狀記憶合金管接頭的重量是傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)管接頭重量的20～25％，具有重量輕，承受壓力高，安全可靠性好的優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明管接頭的一種外觀示意圖。
圖2是圖1的剖視圖。
圖3是圖1另一結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖4是本發(fā)明管接頭的另一種外觀示意圖。
圖5是圖4的剖視圖。
圖6是傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)管接頭(a)與TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭(b)的對照照片。
圖中1.管接頭 2.收縮段 3.平整段 4.筋具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，是在TiNi基形狀記憶合金的基礎(chǔ)上，通過填加高純度的金屬鐵(Fe)和鉬(Mo)元素來降低合金的相變點和提高合金強度，利用形狀記憶合金的記憶原理，制作成TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制結(jié)構(gòu)管接頭，使得航空、航天、空調(diào)、石油管道的液壓和氣路等部分的管路系統(tǒng)更加安全可靠，而且還可以大大減輕構(gòu)件重量，從而提高整個構(gòu)件的綜合性能，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。
在本發(fā)明中，低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金的組份和含量為0.1％～4％鐵(Fe)、0.1％～5％鉬(Mo)、45％～50％鈦(Ti)和45％～50％鎳(Ni)組成，所有百分?jǐn)?shù)為原子百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。
在本發(fā)明中，低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金的制作加工方法為(1)按配比稱取純度99.9％的海綿鈦(Ti)和純度99.9％的鎳(Ni)以及少量純度99.7％的金屬鐵(Fe)和純度99.8％的鉬(Mo)；(2)將上述合金元素采用非自耗真空電弧爐進行熔煉，熔煉得到TiNiFeMo形狀記憶合金鑄錠；(3)將上述制得的鑄錠采用150公斤鍛錘鍛造成所需要的棒材或板材(板材用來測試其合金性能)；(4)將上述板材采用低溫差示掃描量熱儀(DSC)或電阻法測定合金的相變點的溫度，測量的溫度范圍從-190℃至20℃，升降溫速率為1℃/min；采用材料力學(xué)性能試驗機進行力學(xué)性能測試。
經(jīng)測試，本發(fā)明的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金材料，其馬氏體開始相變溫度(Ms)為室溫至-200℃，形狀記憶效應(yīng)(SME)4％～8％，室溫抗拉強度(σb)為600MPa～850MPa，室溫屈服強度(σs)為250MPa～550MPa，室溫延伸率(δ)為10.0％～30.0％。
將本發(fā)明的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金材料制成管接頭，采用常規(guī)的機械加工方法即可制造出所需的管接頭零件。制得的管接頭需要在室溫至-196℃的低溫環(huán)境下對管接頭進行擴孔與需要進行連接的管件進行連接即可。由于TiNiFeMo形狀記憶合金制成的管接頭具有的記憶特性，當(dāng)溫度自然回復(fù)到室溫時，管接頭將抱緊連接的各管路，達到緊密連接的效果和在使用中不出現(xiàn)漏油或泄氣的問題。
機械加工方法一般是指對棒材進行車、鉗、銑、刨、磨工序后制成所需的結(jié)構(gòu)和形狀的加工方法。在機械加工業(yè)是較為常用的手段，故在此處不進行過多的說明。
在本發(fā)明中，管接頭1的結(jié)構(gòu)可以是一般常規(guī)的管道形狀，但為了提高管接頭的強度在管接頭1內(nèi)設(shè)有筋4(如圖4、圖5所示)。加工成管道形狀的管接頭1是為了與所需連接的各管件的形狀相配合。管接頭1的結(jié)構(gòu)也可以是由平整段3和收縮段2構(gòu)成，收縮段2設(shè)在平整段3的兩端。平整段3內(nèi)還可以設(shè)有筋4(如圖1、圖2、圖3所示)，收縮段2與所需連接的各管件抱緊。傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)管接頭與本發(fā)明管接頭的對比如圖6所示。
實施例1制作低相變點高強度Ti50Ni48Fe0.5Mo1.5形狀記憶合金管接頭(1)將純度99.9％的鈦(Ti)、純度99.9％的鎳(Ni)、純度99.8％的鉬(Mo)和純度99.7％的鐵(Fe)，放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，在溫度2700℃進行熔煉成TiNiFeMo形狀記憶合金鑄錠，Ti、Ni、Fe、Mo原子百分含量為50％、48％、0.5％和1.5％。
(2)在熔煉過程中通過改變Fe元素的加入量來控制Ti50Ni48Fe0.5Mo1.5形狀記憶合金的相變點的溫度和性能；在熔煉過程中通過改變Mo元素的加入量來控制Ti50Ni48Fe0.5Mo1.5形狀記憶合金的強度和性能；
(3)將上述制得的鑄錠采用型號為C11-150的鍛錘鍛壓熱軋成板材，對制得的板材采用MTS-880型萬能材料實驗機進行力學(xué)性能及形狀記憶效應(yīng)的測試，拉伸應(yīng)變速率為0.8mm/min；對制得的板材采用電阻法測試相變溫度，板材樣品取尺寸15mm×1mm×1mm；低相變點高強度Ti50Ni48Fe0.5Mo1.5形狀記憶合金各項性能測試結(jié)果為馬氏體開始相變溫度(Ms)為-142℃，形狀記憶效應(yīng)(SME)5.3％，室溫抗拉強度(σb)為809.5MPa，室溫屈服強度(σs)為529.3MPa，室溫延伸率(δ)為12.4％；(4)將上述制得的鑄錠鍛造成棒材，采用機械加工方法加工成如圖1～圖3所示的帶有平整段3和收縮段2的管接頭零件，收縮段2設(shè)在平整段3的兩端，平整段3內(nèi)還可以設(shè)有筋4(如圖2所示)，平整段3內(nèi)也可以為光滑的平面(如圖3所示)，管接頭1的外觀形狀如圖1所示。將棒材采用機械加工方法中的車、鉗、銑、刨、磨進行加工時按照工件的設(shè)計尺寸要求進行加工即可。
(5)在連接各管路時，先將低相變點高強度Ti50Ni48Mo1.5Fe0.5形狀記憶合金管接頭放入液氮中停留3～5分鐘進行擴孔，然后取出，馬上進行管路連接。由于形狀記憶合金材料具有記憶原理，當(dāng)溫度自然回復(fù)到室溫時，本發(fā)明的管接頭將抱緊已連接的各管路。達到在航空、航天、空調(diào)、石油管道液壓和氣路系統(tǒng)中對各管路進行密封連接的目的。
實施例2制作低相變點高強度Ti50Ni47Fe1.5Mo1.5形狀記憶合金管接頭(1)將純度99.9％的鈦(Ti)、純度99.9％的鎳(Ni)、純度99.8％的鉬(Mo)和純度99.7％的鐵(Fe)放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，在溫度2700℃進行熔煉成TiNiFeMo形狀記憶合金鑄錠，Ti、Ni、Fe、Mo原子百分含量為50％、47％、1.5％和1.5％；(2)在熔煉過程中通過改變Fe元素的加入量來控制Ti50Ni47Fe1.5Mo1.5形狀記憶合金的相變點的溫度和性能；在熔煉過程中通過改變Mo元素的加入量來控制Ti50Ni47Fe1.5Mo1.5形狀記憶合金的強度和性能；(3)將上述制得的鑄錠采用型號為C11-150的鍛錘鍛壓熱軋成板材。
對制得的板材采用MTS-880型萬能材料實驗機進行力學(xué)性能及形狀記憶效應(yīng)的測試，拉伸應(yīng)變速率為1.0mm/min；對制得的板材采用電阻法測試相變溫度，板材樣品取尺寸15mm×1mm×1mm；低相變點高強度Ti50Ni47Fe1.5Mo1.5形狀記憶合金各項性能測試結(jié)果為馬氏體開始相變溫度為-165℃，形狀記憶效應(yīng)5.2％，室溫抗拉強度(σb)為815.1MPa，室溫屈服強度(σs)為496MPa，室溫延伸率(δ)為15.2％；(4)將上述制得的鑄錠鍛造成棒材，采用機械加工方法加工成如圖4、圖5所示的管接頭零件，管接頭1內(nèi)設(shè)有筋4。
(5)在連接各管路時，先將低相變點高強度Ti50Ni47Fe1.5Mo1.5形狀記憶合金管接頭放入放入液氮中停留3～5分鐘進行擴孔，然后取出，馬上進行管路連接。由于形狀記憶合金材料具有記憶原理，當(dāng)溫度自然回復(fù)到室溫時，本發(fā)明的管接頭將抱緊已連接的各管路。達到在航空、航天、空調(diào)、石油管道液壓和氣路系統(tǒng)中對各管路進行密封連接的目的。
權(quán)利要求
1.一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其特征在于組份和含量為0.1％～4％鐵(Fe)、0.1％～5％鉬(Mo)、45％～50％鈦(Ti)和45％～50％鎳(Ni)組成，所有百分?jǐn)?shù)為原子百分?jǐn)?shù)，并且上述各組分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其特征在于馬氏體開始相變溫度(Ms)為室溫至-200℃，形狀記憶效應(yīng)(SME)4％～8％，室溫抗拉強度(6b)為600MPa～850MPa，室溫屈服強度(6s)為250MPa～550MPa，室溫延伸率(δ)為10.0％～30.0％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其特征在于可以是組份為Ti50Ni48Mo1.5Fe0.5形狀記憶合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其特征在于可以是組份為Ti50Ni47Mo1.5Fe1.5形狀記憶合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的任選一項低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金，其特征在于采用機械加工方法制成用于連接管件的管接頭(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其特征在于管接頭(1)的平整段(3)兩端設(shè)有收縮段(2)，平整段(3)內(nèi)可以設(shè)有筋(4)或者為光滑面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其特征在于管接頭(1)為管道形狀，管接頭(1)內(nèi)設(shè)有筋(4)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其特征在于管接頭在室溫至-196℃的低溫環(huán)境下進行擴孔與各管件連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其特征在于管接頭可用于航空、航天、空調(diào)、石油管道的液壓和氣路系統(tǒng)中各管件的連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金管接頭，其特征在于管接頭適用的環(huán)境溫度-55℃～+500℃，工作壓力10MPa～35MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金及作為管接頭的應(yīng)用，低相變點高強度TiNiFeMo形狀記憶合金的組份和含量為0.1％～4％鐵(Fe)、0.1％～5％鉬(Mo)、45％～50％鈦(Ti)和45％～50％鎳(Ni)組成。本發(fā)明管接頭采用TiNiFeMo形狀記憶合金材料將其熔煉、鍛造成棒材再運用機械加工方法制成所需的結(jié)構(gòu)及形狀。本發(fā)明管接頭可以在室溫至－196℃的低溫環(huán)境下進行擴孔與各管件實現(xiàn)連接，當(dāng)溫度自然回復(fù)到室溫，管接頭抱緊管件達到不泄漏的目的。本發(fā)明的形狀記憶合金管接頭具有重量輕，承受壓力高，安全可靠性好的優(yōu)點。
文檔編號C22C14/00GK1614055SQ20041009678
公開日2005年5月11日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者劉福順, 徐惠彬, 宮聲凱, 丁振 申請人:北京航空航天大學(xué)