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          華南理工大學(xué):增材制造形狀記憶合金的納米沉淀相調(diào)控

          來(lái)源:材料科學(xué)與工程 1989 2021-09-16

          顆粒在線訊:NiTi形狀記憶合金(SMAs)具有優(yōu)異的超彈性、形狀記憶效應(yīng)和良好的生物相容性等獨(dú)特性能,廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療和手術(shù)器械。大量研究證實(shí),其基體析出相的類(lèi)型和晶粒尺寸是控制應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的兩個(gè)重要因素,直接對(duì)NiTi SMAs中位錯(cuò)的形成和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

          目前,研究者已經(jīng)通過(guò)細(xì)化B2相的晶粒到納米尺度來(lái)強(qiáng)化基體,抑制應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變過(guò)程中的塑性變形,促進(jìn)相變的發(fā)生。Ni4Ti3納米沉淀相作為NiTi SMAs中重要的沉淀之一,研究表明通過(guò)其形貌、尺寸、密度和分布等物性參數(shù)的有效調(diào)控,可以改善NiTi SMAs的功能特性。

          實(shí)際上,模擬結(jié)果表明球形Ni4Ti3納米沉淀相周?chē)^大的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)能夠有效地阻礙了位錯(cuò)在加載條件下的運(yùn)動(dòng)。然而,球狀和透鏡狀Ni4Ti3納米沉淀物對(duì)NiTiSMAs循環(huán)拉伸穩(wěn)定性的影響尚未詳細(xì)報(bào)道。

          論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117261

          通過(guò)熱處理調(diào)控Ni4Ti3納米沉淀相物性參數(shù)

          NiTi SMAs的導(dǎo)熱系數(shù)低、反應(yīng)活性高,導(dǎo)致其制備與加工存在很大的困難。選區(qū)激光熔化(Selective laser melting, SLM)3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)加工的局限性,可以在無(wú)需后續(xù)再加工的情況下成形復(fù)雜的功能構(gòu)件,如薄壁構(gòu)件和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

          近年來(lái),SLM已被應(yīng)用于NiTi SMAs元件的制造,擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。然而,目前的相關(guān)研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)組織演變、相變行為和壓縮性能的影響上。由于結(jié)構(gòu)缺陷(如微裂紋、孔隙)的存在,目前,SLM技術(shù)制備的NiTi SMAs在壓縮條件下獲得了良好的恢復(fù)應(yīng)變,而拉伸恢復(fù)應(yīng)變難以獲得。

          來(lái)自華南理工大學(xué)的楊超教授團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)熱處理(固溶和時(shí)效)調(diào)控SLM技術(shù)制備的 Ni50.4Ti49.6 SMA中Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)(如形貌和尺寸),獲得了高達(dá)2.25~3.74%穩(wěn)定拉伸回復(fù)應(yīng)變,明晰了Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)對(duì)拉伸恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定性的影響機(jī)制,研究結(jié)果為進(jìn)一步了解Ni4Ti3納米沉淀相的功能調(diào)控機(jī)理提供了依據(jù),并為SLM NiTi SMAs的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。[1]

          研究發(fā)現(xiàn),與SLM技術(shù)制備的NiTi SMA相比,熱處理后的NiTi SMA基體中由于SLM過(guò)程產(chǎn)生的大量位錯(cuò)和殘余應(yīng)力等被基本消除,同時(shí)熱處理后基體中形成了富Ni的Ni4Ti3相,導(dǎo)致B2基體中的Ni濃度降低,使得熱處理態(tài)樣品在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的吸熱焓和放熱焓相較于SLM技術(shù)制造的樣品明顯增大。相較于SLM制備的3D打印樣品中發(fā)生的單步相轉(zhuǎn)變過(guò)程,熱處理后的樣品由于析出不同分布與尺寸的Ni4Ti3納米沉淀相,表現(xiàn)出兩步和三步相轉(zhuǎn)變過(guò)程。

          不同熱處理狀態(tài)的NiTi SMA(S350和S450),由于基體中Ni4Ti3納米沉淀相的尺寸和形態(tài)不同,導(dǎo)致Ni4Ti3納米沉淀相周?chē)纬傻膽?yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)不同,球狀Ni4Ti3納米沉淀相(~10 nm)周?chē)膽?yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)相較于透鏡狀Ni4Ti3納米沉淀相(50~665 nm)周?chē)膽?yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)更大,因而在循環(huán)加載過(guò)程中,不同熱處理狀態(tài)的NiTi SMA基體中形成的位錯(cuò)與Ni4Ti3納米沉淀相產(chǎn)生了不同的交互作用機(jī)制,即位錯(cuò)的塞積和位錯(cuò)的切過(guò)。

          不同熱處理樣品的可恢復(fù)應(yīng)變?cè)谘h(huán)增量加載和循環(huán)恒應(yīng)力加載過(guò)程中都會(huì)趨于穩(wěn)定。在循環(huán)恒應(yīng)力加載過(guò)程中的穩(wěn)定可恢復(fù)應(yīng)變是由于循環(huán)拉伸過(guò)程中形成的位錯(cuò)與不同Ni4Ti3納米沉淀相之間的不同相互作用機(jī)制,導(dǎo)致不同熱處理樣品基體中形成的位錯(cuò)在特定的拉伸周期內(nèi)達(dá)到飽和,故獲得了穩(wěn)定恢復(fù)應(yīng)變。

          圖1. SLM 3D打印試樣在不同應(yīng)力條件下的循環(huán)拉伸曲線

          圖1. SLM 3D打印試樣在不同應(yīng)力條件下的循環(huán)拉伸曲線

          圖2. SLM 3D打印樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后在不同應(yīng)力條件下的循環(huán)拉伸曲線

          圖2. SLM 3D打印樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后在不同應(yīng)力條件下的循環(huán)拉伸曲線

          圖3. SLM 3D打印樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后的EBSD圖

          圖3. SLM 3D打印樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后的EBSD圖

          圖4. SLM 3D打印樣品的TEM圖

          圖4. SLM 3D打印樣品的TEM圖

          圖5. SLM 3D打印樣品經(jīng)350°C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后的TEM圖

          圖5. SLM 3D打印樣品經(jīng)350°C/450 °C × 1 h時(shí)效處理后的TEM圖

          圖6.在450 MPa恒應(yīng)力下經(jīng)20次循環(huán)拉伸后的熱處理樣品的EBSD圖

          圖6.在450 MPa恒應(yīng)力下經(jīng)20次循環(huán)拉伸后的熱處理樣品的EBSD圖

          圖7.在450 MPa恒應(yīng)力下經(jīng)20次循環(huán)拉伸后的熱處理樣品的TEM圖

          圖7.在450 MPa恒應(yīng)力下經(jīng)20次循環(huán)拉伸后的熱處理樣品的TEM圖

          圖8. Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)對(duì)熱處理樣品S350和S450的拉伸恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定性的影響

          圖8. Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)對(duì)熱處理樣品S350和S450的拉伸恢復(fù)應(yīng)變穩(wěn)定性的影響

          總的來(lái)說(shuō),本研究首次通過(guò)熱處理調(diào)控SLM制備N(xiāo)i50.4Ti49.6 SMA中的Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)(如形貌、尺寸),系統(tǒng)研究了不同樣品的循環(huán)拉伸穩(wěn)定性,獲得的穩(wěn)定拉伸回復(fù)應(yīng)變達(dá)到2.25~3.74%,并對(duì)其內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了討論說(shuō)明。研究結(jié)果為進(jìn)一步了解Ni4Ti3納米沉淀相的功能調(diào)控機(jī)理提供了依據(jù),并為SLM制備的NiTi SMAs的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

          華南理工大學(xué)國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心的博士研究生盧海洲為論文第一作者,楊超教授為論文通訊作者。該工作得到了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃(No.2020B090923001)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No. U19A2085)以及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(No.2019B030302010)的支持。

          [1] 相關(guān)論文以題為“Stable tensile recovery strain induced by a Ni4Ti3 nanoprecipitate in a Ni50.4Ti49.6 shape memory alloy fabricated via selective laser melting”發(fā)表在金屬材料頂刊“Acta Materialia”上。

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