[发明专利]具有近零膨胀特性的TiNi合金基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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TiNi形状记忆合金基复合材料的制备方法。

背景技术

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，TiNi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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

(1)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(1)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℃/min的速率加热至第一级梯度温度650～710℃，保温10～20分钟；然后以5～10℃/min的速率加热至第二级梯度温度770～830℃，保温10～20分钟；再以5～10℃/min的速率加热至第三级梯度温度950～1050℃，保温2～4小时后炉冷至420～480℃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(4)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；