一種TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的制備方法，屬于金 屬基復合材料的制備技術領域。
【背景技術】
[0002] TiNi形狀記憶合金作為智能材料系統中的一員，自1963年被發現具有形狀記憶 效應和超彈性以來，受到人們的重視，TiNi合金由于具有微應變大、回復應力大和性能穩定 而成為SMA智能復合材料系統中的首選單元。
[0003] 利用TiNi合金高效吸能、變形后可以自動恢復初始形狀的特點，將經過預變形的 TiNi形狀記憶合金絲與鋁合金基體復合，通過升高溫度后TiNi形狀記憶合金絲發生馬氏 體逆相變，受到鋁合金基體的約束而產生恢復力，使鋁合金基體內部存在殘余壓應力，進而 提高基體材料的力學性能和防護性能。
[0004] 目前，制備TiNi形狀記憶合金增強金屬基復合材料主要有壓鑄法、粉末冶金法、 真空熱壓法。壓鑄法是將熔融鋁合金液體澆鑄進入按要求排列著TiNi形狀記憶合金絲的 鑄造模具中，施加一定的壓力制備出TiNi形狀記憶合金增強復合材料，但由于鋁合金液體 注入模具后會使TiNi合金發生再結晶過程，不利于復合材料性能的提高。粉末冶金法是 按要求排列的TiNi形狀記憶合金絲與鋁合金粉末在真空條件下、一定的溫度和壓力下燒 結成型，此種方法制備出的復合材料會存在約為8%的孔隙率。真空熱壓法是將TiNi形狀 記憶合金絲按要求均勻固定排列在經酸洗的板坯疊加在一起，在真空條件下升溫加壓制備 出復合材料，特點是制備工藝容易控制，易制備出所需要的TiNi增強絲體積分數的復合材 料，且材料均勻，增強絲與基體之間無孔洞、熱裂紋缺陷。
【發明內容】
[0005] 針對目前TiNi形狀記憶合金絲增強金屬復合材料制備過程中TiNi形狀記憶合金 絲均勻排布困難、不易控制，以及需加熱到高溫使預變形TiNi形狀記憶合金絲中發生回復 的問題，本發明的目的在于提供一種TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的制備方 法，制備工藝簡單，制備的TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料常溫下TiNi形狀記 憶合金絲為奧氏體狀態，利用制備過程中卸載前后TiNi形狀記憶合金絲發生應力誘發馬 氏體相變及其逆相變的過程使得復合材料內部產生殘余壓應力，進而簡化通常制備方法中 通過預應變及升高溫度使預應變后TiNi形狀記憶合金絲發生回復而使內部產生殘余壓應 力的制備方法；并且利用本方法制備的TiNi形狀記憶合金絲增強A1合金復合材料制備完 成即可使用，不必另外再施加預變形及在較高的溫度下使用而造成使用不便及使用范圍受 限。
[0006] 本發明的目的由以下技術方案實現：
[0007] -種TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的制備方法，所述方法具體步驟 如下：
[0008] (1)在鋁合金基體的側壁上等距離的加工深度為1. 5~2mm的凹槽；將TiNi形狀 記憶合金絲沿凹槽緊密的纏繞在鋁合金基體上，并將TiNi形狀記憶合金絲兩端固定，得到 復合板材1 ;
[0009] (2)分別在復合板材1的上、下表面各放置一塊未加工凹槽的鋁合金基體并固定， 放入模具；將模具放入真空熱壓爐，進行預壓處理；具體為：抽真空至真空度小于等于2Pa， 通入Ar氣，5~lOmin內加壓至17Mpa，完成預壓；
[0010] (3)預壓后邊升溫邊加壓，至溫度為600~620°C且壓力為45~60Mpa時，保溫保 壓2~3h，隨爐冷卻至18~30°C，脫模，得到本發明所述TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金 復合材料；
[0011] 其中，所述TiNi形狀記憶合金絲常溫下為奧氏體狀態，且TiNi形狀記憶合金絲為 等原子比；
[0012] 所述鋁合金基體為鋁合金板材；
[0013] 所述凹槽的間距為n，其計算方法如下：
[0014] 假設所需TiNi形狀記憶合金絲體積分數為τι，鋁合金基體長、寬、高分別為a、b、 c，TiNi形狀記憶合金絲的直徑為d，總長度為1，根據公iS
得出 ，再根據公式
，得出
， L0015」
W益效果
[0016] (1)本發明所述方法在熱壓加熱及保溫過程中，A1合金基體未達到熔融狀態，而 是隨著溫度的升高逐漸軟化，整個過程中溫度均低于TiNi合金的再結晶溫度，在壓力的作 用下使A1合金基體與TiNi形狀記憶合金絲通過擴散作用形成致密的結合界面層，并在真 空條件下隨爐冷卻至室溫，因此不會出現孔洞及熱裂紋缺陷。
[0017] (2)本發明所述方法采用室溫為奧氏體狀態的TiNi形狀記憶合金絲，在真空熱壓 制備之前，TiNi形狀記憶合金絲被均勻的纏繞在A1合金基體上并固定，隨著加熱加壓過程 的進行，在力的作用下整個材料發生變形，TiNi形狀記憶合金絲也隨著A1合金基體的變形 被拉長，進而發生應力誘發馬氏體相變，在加壓過程完成卸載后，由于A1合金基體的束縛 TiNi形狀記憶合金絲不能自行回復從而在基體內部產生殘余壓應力，極大的簡化了材料的 制備和使用過程。而傳統方法中，采用馬氏體狀態的TiNi絲與金屬基體復合，在制備完成 后施加力使其發生一定的預變形，然后加熱到高溫（奧氏體化溫度Af以上），通過TiNi形 狀記憶合金絲的形狀記憶效應使復合材料內部產生殘余壓應力，因此使用溫度也必須在Af 以上。
[0018] (3)在真空熱壓制備之前，TiNi形狀記憶合金絲就被均勻的固定在A1合金基體 上，因此制備完成后不會出現TiNi形狀記憶合金絲排布不均勻、變形不均勻這些影響材料 性能的情況。
【附圖說明】
[0019] 圖1為以下實施例中所述預壓處理的過程示意圖；
[0020] 圖2為以下實施例中所述預壓后邊升溫邊加壓保溫的過程示意圖；
[0021] 圖3為以下實施例中所述TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的拉伸試樣 尺寸示意圖；
[0022] 圖4為實施例1中復合材料界面微觀形貌掃描電鏡照片；
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖和具體實施例來詳述本發明，但不限于此。
[0024] 以下實施例中提到的主要材料信息見表1 ;主要儀器與設備信息見表2。
[0025] 表 1
[0026]
[0029] 以下實施例中所述鋁合金板材為7075鋁合金板材，其抗拉強度為382Mpa。
[0030] 以下實施例中所述準靜態拉伸試驗依據國標GB/T228. 1-2010執行。
[0031] 以下實施例中所述凹槽的間距為n，其計算方法如下：
[0032] 假設所需TiNi形狀記憶合金絲體積分數為τι，鋁合金基體長、寬、高分別為a、b、 c，TiNi形狀記憶合金絲的直徑為d，總長度為1，根據公j
得出
?再根據公另
，得d
[0033] 實施例1
[0034] -種TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料的制備方法，所述方法具體步驟 如下：
[0035] (1)將厚度為2. 6mm的鋁合金板材切成46X25mm的三個小塊，并將其中一塊鋁合 金板沿寬度方向在距離最外側1mm位置加工深度為2_、寬度為1. 5mm的小槽；分別按順序 用400#、600#、800#、1000#砂紙將三塊鋁合金板打磨，直至露出金屬色澤；將打磨好的鋁合 金板放入5%的稀鹽酸熔液中，酸洗120s，取出，蒸餾水洗凈，完全去掉表面氧化膜后分別 放入蒸餾水和無水乙醇中超聲清洗15min，冷風吹干，待用；
[0036] 將卷成一捆的TiNi形狀記憶合金絲剪成為3m長的小段，分別按順序用400#、 600#、800#、1000#砂紙仔細打磨TiNi絲，直至表現露出金屬色澤，用蒸餾水洗凈后分別放 入蒸餾水和無水乙醇中超聲清洗15min，冷風吹干，待用；
[0037] 將預處理完成的TiNi形狀記憶合金絲沿緊密的纏繞在鋁合金板上，并且將TiNi 形狀記憶合金絲的兩端纏繞固定在外側凹槽上，得到復合板材1 ;
[0038] (2)分別在復合板材1的上、下表面各放置一塊未加工凹槽的鋁合金板材，并用 膠帶固定，放入模具；將模具放入真空熱壓爐，進行預壓處理，具體為：抽真空至2Pa以 下，通入Ar氣保護，lOmin內加壓至17Mpa，完成預壓；過程示意圖見圖1，由A-A剖視圖 和A' -A'剖視圖可知，施加預壓力之前，TiNi形狀記憶合金絲與鋁合金基體之間的間隙 ΛΗ辛0,施加預壓力，完成預壓后，ΛΗ= 0,表明TiNi形狀記憶合金絲與錯合金基體之間 緊密結合；
[0039] (3)預壓后邊升溫邊加壓，至600°C，45Mpa時，保溫保壓2h，隨爐冷卻至25°C，脫 模，得到所述TiNi形狀記憶合金絲增強鋁合金復合材料；過程示意圖見圖2 ;
[0040] 為分析復合材料的界面結合狀況，采用腐蝕液對所制備的復合材料進行金相腐蝕 后，利用掃描電子顯微鏡（SEM)對復合材料界面微觀形貌進行表征，掃描電鏡照片如圖4所 示，其中，a為放大倍數為200倍時升溫電鏡照片；b為a中方框區域放大后的顯微組織照 片，放大倍數為1000倍；c為b中方框區域放大后的顯微組織照片，放大倍數為放大倍數為 15000倍。所述復合材料中鋁合金與鋁合