一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金

本发明涉及金属单晶合金材料，具体涉及一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金。

背景技术：

1、应变玻璃最早在马氏体体系ti50-xni50+x中被发现，当x低于某一临界值xc时，该体系就会发生马氏体相变，即母相晶格发生长程切变转变为长程有序的马氏体，其晶体组织结构对应力和温度的响应导致了形状记忆效应、超弹性等功能特性，但是当x超过临界值xc时，该体系中无马氏体相变的发生，但合金仍具有优异的超弹性和形状记忆效应。通过国内研究人员的研究得知，当x超过临界值xc时，该体系经历了另一种无马氏体转变——应变玻璃化转变，应变玻璃转变的过程是一个局部晶格应变动态冻结的过程，在母相中会有纳米级的马氏体畴产生，正是这些微观组织赋予了应变玻璃宽温域、小热滞后、低应力滞后、形状记忆效应和超弹性等奇特性质(sarkar s,ren x,otsuka k.evidence for strainglass in the ferroelastic-martensitic system ti(50-x)ni(50+x)[j].phys rev lett,2005,95(20):205702)。因此，应变玻璃在航空航天、医疗健康、军事工业等多领域具有极大的应用前景。

2、在目前已有的合金体系中，cu基合金成本低廉，约为ni-ti基记忆合金的十分之一，并且cu基合金具有良好的加工性能和导电导热性。但是当加载较大的应力于cu基多晶合金上时，由于不同位向晶粒应变差别大，为维持在界面上的应变连续，在晶界处会出现应力集中，从而在合金中发生沿着晶界断裂的现象，部分cu基多晶合金在2％-3％的应变下就发生脆性断裂，因此制备出cu基单晶合金对cu基合金的应用尤为关键。而传统采用定向凝固来制备单晶的方法设备成本高昂，工艺繁琐。2016年，日本学者omori等人利用多次循环热处理的方法，在铁锰锌锡四元合金体系中制备出了大尺寸的单晶(t.omori,h.iwaizako,r.kainuma,abnormal grain growth induced by cyclic heat treatment in fe-mn-al-ni superelastic alloy,mater.des.101(2016)263–269)。但这样通过循环热处理工艺制备单晶的方法同样周期较长，工艺繁琐，并且对温度要求非常严格，在实际的生产应用存在较大的局限性。

3、应变玻璃合金起源于传统具有可逆马氏体相变的合金体系，但相较于传统形状记忆合金其拥有自己突出的功能特性，在各个领域都有独特的应用场景，发展应变玻璃合金对于拓宽形状记忆合金的研究和应用都具有重要的意义。而成本低廉、易于加工的cu基应变玻璃合金领域更是处于研究初期，应变玻璃单晶的研究在国内外也未曾有过报道，仍有很多问题亟待解决，如cu基合金在多晶状态下力学性能较差，容易沿晶界方向发生脆性断裂，因此通过简单有效的工艺获得cu基应变玻璃单晶合金具有深远的应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其组成按照质量百分比包括：铜58～72wt％，锌15～22wt％，锡13～15wt％，铁0～3wt％，锰0～3wt％。

3、本发明的一个优选实施方案中，所述组成按照质量百分比包括：铜60.5～66.5wt％、锌18～22wt％、锡13.5～14.5wt％和铁2～3wt％。

4、在本发明的一个优选实施方案中，所述组成按照质量百分比包括：铜60～68wt％、锌15～20wt％、锡13.5～14.5wt％、铁2～3wt％、锰1.5～2.5wt％。

5、在本发明的一个优选实施方案中，所述铜锌锡基应变玻璃单晶合金由多晶的铸态合金经700℃-780℃的单一相区进行退火后获得。

6、本发明的技术方案之二为：一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)制备铸态合金1：按照质量百分比组成分别称取铜、cu65sn35中间合金、锌、铁和锰，先将铁、cu65sn35中间合金、锰在电弧熔炼炉进行熔炼，冷却后得到铸态合金1；

8、(2)制备铸态合金2：将步骤(1)制得的铸态合金1剪碎后与铜、锌真空封装在石英玻璃管中进行熔炼，得到铸态合金2；

9、(3)步骤(2)制得的铸态合金2在高温的单一相区进行退火处理，随后再进行淬火，即可获得铜锌锡基应变玻璃单晶合金材料。

10、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中熔炼次数为2-4次。

11、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中熔炼温度为1100-1120℃。

12、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中退火温度为700～780℃，退火时间为45-50h。

13、现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1.合金成本：本发明采取cu基合金体系，成本仅为目前应用最广的ti-ni基记忆合的十分之一，在诸多领域有极大的应用前景；

15、2.热处理方式：传统通过定向凝固、多次循环热处理等途径来制备单晶的方法设备成本高昂，工艺复杂，而本发明仅需要在合金的β单相区进行保温一段时间，随后再进行淬火即可获得单晶合金，方法简单高效、成本低廉；

16、3.功能特性：在本发明中的成分区内，熔炼得到的铸态合金在经过退火热处理后会发生应变玻璃化转变，产生具有宽温域、小热滞、低应力滞后、形状记忆效应和超弹性等奇特性质的应变玻璃合金材料，相较于传统形状记忆合金有独特的优势，在诸多领域如航空航天、军事工业等领域中有特殊的应用场景。

技术特征：

1.一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其特征在于，其组成按照质量百分比包括：铜58～72wt％，锌15～22wt％，锡13～15wt％，铁0～3wt％，锰0～3wt％。

2.如权利要求1所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其特征在于，其组成按照质量百分比包括：铜60.5～66.5wt％、锌18～22wt％、锡13.5～14.5wt％和铁2～3wt％。

3.如权利要求1所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其特征在于，其组成按照质量百分比包括：铜60～68wt％、锌15～20wt％、锡13.5～14.5wt％、铁2～3wt％、锰1.5～2.5wt％。

4.如权利要求1所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其特征在于，所述铜锌锡基应变玻璃单晶合金由多晶的铸态合金经700℃-780℃的单一相区进行退火后获得。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中熔炼次数为2-4次。

7.如权利要求5所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中熔炼温度为1100-1120℃。

8.如权利要求5所述的铜锌锡基应变玻璃单晶合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中退火温度为700～780℃，退火时间为45-50h。

技术总结本发明属于金属单晶合金材料技术领域，具体公开了一种铜锌锡基应变玻璃单晶合金，其组成按照质量百分比包括：铜58～72wt％，锌15～22wt％，锡13～15wt％，铁0～3wt％，锰0～3wt％。本发明采取Cu基合金体系，成本仅为目前应用最广的Ti‑Ni基记忆合的十分之一，在诸多领域有极大的应用前景；在本发明熔炼得到的铸态合金在经过退火热处理后会发生应变玻璃化转变，产生具有宽温域、小热滞、低应力滞后、形状记忆效应和超弹性等奇特性质的应变玻璃合金材料，相较于传统形状记忆合金有独特的优势，在诸多领域如航空航天、军事工业等领域中有特殊的应用场景。技术研发人员：杨水源,梅珈赫,陈锋,张锦彬,黄艺雄受保护的技术使用者：厦门大学深圳研究院技术研发日：技术公布日：2024/11/4