一种低相变点高强度TINIFEMO形状记忆合金及作为管接头的应用.pdf

本发明公开了一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金及作为管接头的应用，低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金的组份和含量为0.1％～4％铁(Fe)、0.1％～5％钼(Mo)、45％～50％钛(Ti)和45％～50％镍(Ni)组成。本发明管接头采用TiNiFeMo形状记忆合金材料将其熔炼、锻造成棒材再运用机械加工方法制成所需的结构及形状。本发明管接头可以在室温至－196℃的低温环境下进行扩孔与各管件实现连接，当温度自然回复到室温，管接头抱紧管件达到不泄漏的目的。本发明的形状记忆合金管接头具有重量轻，承受压力高，安全可靠性好的优点。

1.  一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其特征在于：组份和含量为0.1％～4％铁(Fe)、0.1％～5％钼(Mo)、45％～50％钛(Ti)和45％～50％镍(Ni)组成，所有百分数为原子百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。

2.  根据权利要求1所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其特征在于：马氏体开始相变温度(Ms)为室温至-200℃，形状记忆效应(SME)4％～8％，室温抗拉强度(6b)为600MPa～850MPa，室温屈服强度(6s)为250MPa～550MPa，室温延伸率(δ)为10.0％～30.0％。

3.  根据权利要求1所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其特征在于：可以是组份为Ti₅₀Ni₄₈Mo_1.5Fe_0.5形状记忆合金。

4.  根据权利要求1所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其特征在于：可以是组份为Ti₅₀Ni₄₇Mo_1.5Fe_1.5形状记忆合金。

5.  根据权利要求1、3或4所述的任选一项低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其特征在于：采用机械加工方法制成用于连接管件的管接头(1)。

6.  根据权利要求5所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头(1)的平整段(3)两端设有收缩段(2)，平整段(3)内可以设有筋(4)或者为光滑面。

7.  根据权利要求5所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头(1)为管道形状，管接头(1)内设有筋(4)。

8.  根据权利要求5所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头在室温至-196℃的低温环境下进行扩孔与各管件连接。

9.  根据权利要求5所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头可用于航空、航天、空调、石油管道的液压和气路系统中各管件的连接。

10.  根据权利要求5所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其特征在于：管接头适用的环境温度-55℃～+500℃，工作压力10MPa～35MPa。

一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金及作为管接头的应用
技术领域
本发明涉及一种可在低温环境下用来连接高压管路之间的管接头以及一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金材料。
背景技术
目前，在航空、航天、空调、石油管道液压和气路等的各管路连接中，大都采用传统的钢制结构的管接头。而各管路之间由于受到机械振动、高温、高压环境等因素的影响，容易出现漏油、漏气等故障，使机械设备无法正常工作。
TiNi基形状记忆合金(SMA)作为一种新型金属功能材料，因其马氏体相变的相变点稳定和容易控制，并且具有优良的力学性能，良好的耐腐蚀性和大的形状记忆效应而广泛应用于医疗、工业、生活等领域。
在TiNi基形状记忆合金的基础上，通过填加高纯度的金属铁(Fe)元素来降低合金的相变点，制备出低相变点TiNiFe形状记忆合金。
然而，随着科学技术的发展，对航空、航天等飞行器的飞行速度也越来越快，同时对管路系统承受的压力越来越高，而低相变点TiNiFe形状记忆合金由于抗拉强度(σb)和屈服强度(σs)相对较低，已不能完全满足高压工作压力管接头的要求，因此需要研究开发一种具有低相变点和高强度TiNi基形状记忆合金及其采用该合金制造管接头来满足更高工作压力的要求。
在低相变点的TiNiFe形状记忆合金的基础上，再填加少量的金属钼(Mo)元素制备的TiNiFeMo形状记忆合金不仅具有低相变点而且强度也得到提高，采用该形状记忆合金制造的管接头具有更高的紧箍力。采用该形状记忆合金制造的管接头来代替传统的钢制管接头不仅减轻了构件的重量，而且使得构件更安全可靠，使得整个系统的综合性能明显提高，带来巨大的社会和经济效益。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金材料。该合金材料具有相变点低、强度高、耐腐蚀等特点。
本发明的目的之二是提供一种连接各管路之间的管接头。该管接头具有承受更高工作压力，不仅具有低相变点而且强度也得到提高、较大紧箍力，且重量比钢制结构的管接头轻，其安全可靠，使整个机械设备的管路系统性能明显提高。
本发明的一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，其组份和含量为0.1％～4％铁(Fe)、0.1％～5％钼(Mo)、45％～50％钛(Ti)和45％～50％镍(Ni)组成，所有百分数为原子百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。经测试，该低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金的马氏体开始相变温度(Ms)为室温至-200℃，形状记忆效应(SME)4％～8％，室温抗拉强度(σb)为600MPa～850MPa，室温屈服强度(σs)为250MPa～550MPa，室温延伸率(δ)为10.0％～30.0％。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，可以是组份为Ti₅₀Ni₄₈Mo_1.5Fe_0.5形状记忆合金或Ti₅₀Ni₄₇Mo_1.5Fe_1.5形状记忆合金。
本发明的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金可采用机械加工方法制成用于连接管件的管接头。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其管接头的平整段两端设有收缩段，平整段内可以设有筋；或者，平整段内可以为光滑平面。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，其结构是管道形状，管接头内设有筋。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，在室温至-196℃的低温环境下进行扩孔与各管件连接。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，可以用于航空、航天、空调、石油管道的液压和气路系统中各管件的连接。
所述的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金管接头，适用的环境温度为一55℃～+500℃，适用的工作压力为10MPa～35MPa。
本发明的优点：在TiNi形状记忆合金的基础上，通过添加一定量的铁(Fe)和钼(Mo)元素，制备出低相变点高强度的TiNiFeMo形状记忆合金，该合金的马氏体开始相变温度(Ms)点在室温至-200℃，室温抗拉强度(σb)为大于780MPa，室温屈服强度(σs)为大于500MPa。使用该合金制造的形状记忆合金管接头，在室温至-196℃的低温环境下进行扩孔与各管件进行连接，当温度自然回复到室温，管接头将抱紧被连接的各管件。该形状记忆合金管接头的重量是传统钢制结构管接头重量的20～25％，具有重量轻，承受压力高，安全可靠性好的优点。
图1是本发明管接头的一种外观示意图。
图2是图1的剖视图。
图3是图1另一结构的剖视图。
图4是本发明管接头的另一种外观示意图。
图5是图4的剖视图。
图6是传统钢制结构管接头(a)与TiNiFeMo形状记忆合金管接头(b)的对照照片。
图中：1.管接头  2.收缩段  3.平整段  4.筋
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金，是在TiNi基形状记忆合金的基础上，通过填加高纯度的金属铁(Fe)和钼(Mo)元素来降低合金的相变点和提高合金强度，利用形状记忆合金的记忆原理，制作成TiNiFeMo形状记忆合金管接头，以代替传统的钢制结构管接头，使得航空、航天、空调、石油管道的液压和气路等部分地管路系统更加安全可靠，而且还可以大大减轻构件重量，从而提高整个构件的综合性能，从而带来巨大的社会和经济效益。
在本发明中，低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金的组份和含量为0.1％～4％铁(Fe)、0.1％～5％钼(Mo)、45％～50％钛(Ti)和45％～50％镍(Ni)组成，所有百分数为原子百分数，并且上述各组分的含量之和为100％。
在本发明中，低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金的制作加工方法为：
(1)按配比称取纯度99.9％的海绵钛(Ti)和纯度99.9％的镍(Ni)以及少量纯度99.7％的金属铁(Fe)和纯度99.8％的钼(Mo)；
(2)将上述合金元素采用非自耗真空电弧炉进行熔炼，熔炼得到TiNiFeMo形状记忆合金铸锭；
(3)将上述制得的铸锭采用150公斤锻锤锻造成所需要的棒材或板材(板材用来测试其合金性能)；
(4)将上述板材采用低温差示扫描量热仪(DSC)或电阻法测定合金的相变点的温度，测量的温度范围从-190℃至20℃，升降温速率为1℃/min；采用材料力学性能试验机进行力学性能测试。
经测试，本发明的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金材料，其马氏体开始相变温度(Ms)为室温至-200℃，形状记忆效应(SME)4％～8％，室温抗拉强度(σb)为600MPa～850MPa，室温屈服强度(σs)为250MPa～550MPa，室温延伸率(δ)为10.0％～30.0％。
将本发明的低相变点高强度TiNiFeMo形状记忆合金材料制成管接头，采用常规的机械加工方法即可制造出所需的管接头零件。制得的管接头需要在室温至-196℃的低温环境下对管接头进行扩孔与需要进行连接的管件进行连接即可。由于TiNiFeMo形状记忆合金制成的管接头具有的记忆特性，当温度自然回复到室温时，管接头将抱紧连接的各管路，达到紧密连接的效果和在使用中不出现漏油或泄气的问题。
机械加工方法一般是指对棒材进行车、钳、铣、刨、磨工序后制成所需的结构和形状的加工方法。在机械加工业是较为常用的手段，故在此处不进行过多的说明。
在本发明中，管接头1的结构可以是一般常规的管道形状，但为了提高管接头的强度在管接头1内设有筋4(如图4、图5所示)。加工成管道形状的管接头1是为了与所需连接的各管件的形状相配合。管接头1的结构也可以是由平整段3和收缩段2构成，收缩段2设在平整段3的两端。平整段3内还可以设有筋4(如图1、图2、图3所示)，收缩段2与所需连接的各管件抱紧。传统钢制结构管接头与本发明管接头的对比如图6所示。
实施例1
制作低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₈Fe_0.5Mo_1.5形状记忆合金管接头
(1)将纯度99.9％的钛(Ti)、纯度99.9％的镍(Ni)、纯度99.8％的钼(Mo)和纯度99.7％的铁(Fe)，放入非自耗真空电弧炉内，在温度2700℃进行熔炼成TiNiFeMo形状记忆合金铸锭，Ti、Ni、Fe、Mo原子百分含量为50％、48％、0.5％和1.5％。
(2)在熔炼过程中通过改变Fe元素的加入量来控制Ti₅₀Ni₄₈Fe_0.5Mo_1.5形状记忆合金的相变点的温度和性能；
在熔炼过程中通过改变Mo元素的加入量来控制Ti₅₀Ni₄₈Fe_0.5Mo_1.5形状记忆合金的强度和性能；
(3)将上述制得的铸锭采用型号为C11-150的锻锤锻压热轧成板材，
对制得的板材采用MTS-880型万能材料实验机进行力学性能及形状记忆效应的测试，拉伸应变速率为0.8mm/min；对制得的板材采用电阻法测试相变温度，板材样品取尺寸15mm×1mm×1mm；
低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₈Fe_0.5Mo_1.5形状记忆合金各项性能测试结果为：马氏体开始相变温度(Ms)为-142℃，形状记忆效应(SME)5.3％，室温抗拉强度(σb)为809.5MPa，室温屈服强度(σs)为529.3MPa，室温延伸率(δ)为12.4％；
(4)将上述制得的铸锭锻造成棒材，采用机械加工方法加工成如图1～图3所示的带有平整段3和收缩段2的管接头零件，收缩段2设在平整段3的两端，平整段3内还可以设有筋4(如图2所示)，平整段3内也可以为光滑的平面(如图3所示)，管接头1的外观形状如图1所示。将棒材采用机械加工方法中的车、钳、铣、刨、磨进行加工时按照工件的设计尺寸要求进行加工即可。
(5)在连接各管路时，先将低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₈Mo_1.5Fe_0.5形状记忆合金管接头放入液氮中停留3～5分钟进行扩孔，然后取出，马上进行管路连接。由于形状记忆合金材料具有记忆原理，当温度自然回复到室温时，本发明的管接头将抱紧已连接的各管路。达到在航空、航天、空调、石油管道液压和气路系统中对各管路进行密封连接的目的。
实施例2
制作低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₇Fe_1.5Mo_1.5形状记忆合金管接头
(1)将纯度99.9％的钛(Ti)、纯度99.9％的镍(Ni)、纯度99.8％的钼(Mo)和纯度99.7％的铁(Fe)放入非自耗真空电弧炉内，在温度2700℃进行熔炼成TiNiFeMo形状记忆合金铸锭，Ti、Ni、Fe、Mo原子百分含量为50％、47％、1.5％和1.5％；
(2)在熔炼过程中通过改变Fe元素的加入量来控制Ti₅₀Ni₄₇Fe_1.5Mo_1.5形状记忆合金的相变点的温度和性能；
在熔炼过程中通过改变Mo元素的加入量来控制Ti₅₀Ni₄₇Fe_1.5Mo_1.5形状记忆合金的强度和性能；
(3)将上述制得的铸锭采用型号为C11-150的锻锤锻压热轧成板材。
对制得的板材采用MTS-880型万能材料实验机进行力学性能及形状记忆效应的测试，拉伸应变速率为1.0mm/min；对制得的板材采用电阻法测试相变温度，板材样品取尺寸15mm×1mm×1mm；
低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₇Fe_1.5Mo_1.5形状记忆合金各项性能测试结果为：马氏体开始相变温度为-165℃，形状记忆效应5.2％，室温抗拉强度(σb)为815.1MPa，室温屈服强度(σs)为496MPa，室温延伸率(δ)为15.2％；
(4)将上述制得的铸锭锻造成棒材，采用机械加工方法加工成如图4、图5所示的管接头零件，管接头1内设有筋4。
(5)在连接各管路时，先将低相变点高强度Ti₅₀Ni₄₇Fe_1.5Mo_1.5形状记忆合金管接头放入放入液氮中停留3～5分钟进行扩孔，然后取出，马上进行管路连接。由于形状记忆合金材料具有记忆原理，当温度自然回复到室温时，本发明的管接头将抱紧已连接的各管路。达到在航空、航天、空调、石油管道液压和气路系统中对各管路进行密封连接的目的。