一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法

本发明属于金属材料加工领域，涉及一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法，具体涉及一种提高富镍镍钛合金硬度及宽温域耐磨性能的方法。

背景技术：

1、二元镍钛合金是在1963年由美国海军实验室首先提出，其中富镍的niti二元合金具有高硬度、高强度、优异耐腐蚀性能、超弹性、和较低的弹性模量；且较其他钛合金表现出良好的润滑性能，在特定的条件下，可出现超润滑现象。其中60niti合金因原子的高度有序性和键合特性有望表现出更高的韧性及强度，且该合金的热膨胀系数与结构材料相近，具有优异的微观结构和尺寸稳定性，是一种非常具有潜力的轻质高温结构材料，也是航空航天复杂机械部件中轴承材料的优选材料，在机械，摩擦学，防腐蚀，航空航天等领域具有广泛的应用前景。但60niti合金需通过一系列热处理工艺来提升硬度，在高温的摩擦性及抗氧化性较差等问题也限制了合金的实用化。

2、在工业工程领域中，不可避免地存在材料的摩擦磨损现象，据统计约有70％的设备损坏是由于各种形式的磨损引起的，在机械部件实际服役过程中出现材料的摩擦磨损会造成大量的能源消耗及经济损失。在航天航空及大型机械工程领域中，材料的服役环境大多为高载荷，高温，高压等恶劣工况，对合金的高温耐磨性，高温力学性能及抗氧化性要求十分严苛。现有的研究常通过表面改性技术，在氧化气氛中生成tio2层覆盖在niti基体表面来提升合金的抗氧化性，但不可避免会出现ni的氧化及相变温度的改变。但合金的组成及第二相转变会影响合金强度及塑韧性，因此进一步提升合金的强度而不损坏合金塑性，同时能提升合金在宽温域应用中的摩擦性能，获得具有轻质高强、耐蚀耐磨、导电无磁等优异综合性能的富镍niti合金，是将其广泛应用于航天航空，海洋舰船等机械耐磨领域的前提。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法，提高二元镍钛合金硬度与宽温域耐磨性能的方法，通过向niti合金中引入o元素，改变合金中第二相的形成，同时析出tio2,nio等氧化物而有效提高了合金的硬度以及耐磨性，且不同氧含量的合金中，2％(at)的氧合金具有最高的硬度及最优的耐磨性。合金的制备方法简单且易操作，制备获得的含氧的镍钛合金杂质含量低、铸造缺陷少，具有优异的综合性能，在航天航空等耐磨领域有良好的应用前景。

3、技术方案

4、一种高温耐磨的镍钛合金，其特征在于成分为nitiox,其中x＝0.1～15.at％。

5、一种所述高温耐磨的镍钛合金的制备方法，其特征在于步骤如下：

6、步骤1、合金熔炼：按照ni：ti：o元素原子百分比6：4：x的比例分别计算称取ni、ti、tio2原料，将合金总重量控制在78-80g之间；x＝0.1～15(at％)；

7、将称取的各原料混合后放入真空电弧熔炼炉的铜模坩埚内，抽真空、除氧气、充入惰性气体ar气，制备nitiox的纽扣装铸锭；

8、所述熔炼时电子枪接入的电流为250～400安培，上下面翻着反复熔炼4～6次，每次熔炼时间为3min；

9、步骤2、翻转浇铸：将翻转浇铸设备的铜坩埚与板状铜模具固定在一起，将步骤1中熔炼制得的nitiox的纽扣装铸锭放入铜坩埚内，抽真空、充入惰性气体ar气后，将纽扣状铸锭融化，熔炼3-5min后翻转将合金液浇铸到水冷铜坩埚模具中，随炉冷却得到板状浇铸材料；

10、步骤3、热压均匀化：在惰性气体的保护下，将步骤2中浇铸得到的板状材料放入高真空热压烧结炉中，先加热温度到900℃、保温20min；再加压3.8t，保压15min条件下热压获得组织均匀的nitiox合金板材。

11、所述步骤1熔炼前，ni、ti和tio2原料在无水乙醇中超声清洗并吹干。

12、所述步骤1除氧是利用纯钛锭吸附炉内剩余氧气。

13、所述步骤2翻转的速度保持稳定，且在2s内翻转45°。

14、所述步骤2随炉冷却的时间为30min。

15、所述步骤3加热温度的升温速率为20℃/min。

16、所述步骤1选择的各单质元素的纯度≥99.99％。

17、有益效果

18、本发明提出的一种高温耐磨的镍钛合金及制备方法，所述合金成分为nitiox，其中x＝0.1～15，制备方法包括：用真空电弧熔炼炉将经过配比称量、超声清洗后的ti、ni、tio2混合熔炼得到nitiox母合金锭；使用翻转浇铸设备将母合金溶液浇铸进板状水冷铜模中得到板状合金；将浇铸得到的板状合金放入高温热压炉内通入惰性保护气(ar气)，进行热压均匀化处理。本发明制得的含氧的二元镍钛合金的硬度及宽温域中耐磨性均得到明显提高，通过tio2的引入，有效减少了制备过程中c等杂质的出现，抑制了ni的氧化，制备nitiox合金具有轻质高强、耐蚀耐磨、导电无磁等优异的综合性能,满足航空航天等机械耐磨领域的性能要求，可在高端轴承等耐磨件上得到广泛应用。

19、本发明研究过程中发现，传统的采用真空感应炉制备富镍niti合金时，坩埚的选择会影响合金中杂质的含量：若选用石墨坩埚会导致c含量升高；若选氧化物坩埚，可能导致合金中ti元素发生反应，导致材料损失。因此，本发明中选用的真空电弧熔炼设备，利用铜坩埚中进行合金熔炼，可有效减少合金中c等杂质的产生；且整个熔炼与浇铸在高真空环境中进行，并在开始前利用纯钛锭进一步排除炉内残留空气，有效减少合金杂质元素的出现。熔炼中铸锭反复翻转3-5次，保证合金组织的均匀性，避免内部缺陷的生成，提高了合金的综合性能。另外，tio2已被证实具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和生物相容性，本发明通过引入tio2改变富镍niti合金的第二相的组成。相较于在氧化气氛中进行表面改性工艺，本发明中制备工艺不仅省略了后续硬化处理过程，降低制备成本，还有效提高合金的硬度与抗氧化性能。当合金表面在不同温度发生磨损时，合金中氧一方面以间隙固溶形式进入基体晶格中，另一方面以氧化物形式析出在晶粒中，使合金的硬度提升，抗磨性也得到增强。最终获得的富镍nitiox合金具有轻质高强、耐蚀耐磨、导电无磁等优异的综合性能，可应用于航天航空，海洋舰船等机械耐磨领域。

20、与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)传统的二元镍钛合金在航天航空、生物医疗等领域有广泛应用，通过向合金中引入zr、hf、cr等合金元素结合热处理工艺可有效改善镍钛合金的机械性能及耐磨性能；本发明中以廉价的tio2向合金中引入氧元素，不仅提高合金的硬度及宽温域耐磨性能，同时具有良好的经济效益。

22、合金硬度提高是因为氧元素引入使合金中生成tio、nio等镍钛的氧化物相弥散分布在基体中；而生成的氧化物在高温下进行摩擦时，会进一步生成tio2等氧化物层覆盖在基体表面形成固体润滑，减小基体合金的磨损率,同时提高合金抗氧化性能。

23、(2)与60niti合金相比，以tio2形式向基体中添加o元素后合金的成本更低、不需经过复杂的热处理工艺而能使硬度及耐磨性均有效提高，在航天航空等机械耐磨领域具有良好的应用前景。此外、该合金制备工艺简单，操作方便，易于实现大规模的工业化应用。