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华南理工大学:增材制造形状记忆合金的纳米沉淀相调控!

来源:3D科学谷|

发表时间:2021-09-16

点击:1861

NiTi形状记忆合金(SMAs)具有优异的超弹性、形状记忆效应和良好的生物相容性等独特性能,广泛应用于航空航天、医疗和手术器械。大量研究证实,其基体析出相的类型和晶粒尺寸是控制应力诱导马氏体相变的两个重要因素,直接对NiTi SMAs中位错的形成和运动产生影响。


目前,研究者已经通过细化B2相的晶粒到纳米尺度来强化基体,抑制应力诱导马氏体相变过程中的塑性变形,促进相变的发生。Ni4Ti3纳米沉淀相作为NiTi SMAs中重要的沉淀之一,研究表明通过其形貌、尺寸、密度和分布等物性参数的有效调控,可以改善NiTi SMAs的功能特性。


实际上,模拟结果表明球形Ni4Ti3纳米沉淀相周围较大的应力/应变场能够有效地阻碍了位错在加载条件下的运动。然而,球状和透镜状Ni4Ti3纳米沉淀物对NiTiSMAs循环拉伸稳定性的影响尚未详细报道。





论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117261


通过热处理调控Ni4Ti3纳米沉淀相物性参数


NiTi SMAs的导热系数低、反应活性高,导致其制备与加工存在很大的困难。选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)3D打印技术突破了传统加工的局限性,可以在无需后续再加工的情况下成形复杂的功能构件,如薄壁构件和点阵结构。


近年来,SLM已被应用于NiTi SMAs元件的制造,扩大了其应用范围。然而,目前的相关研究主要集中在工艺参数对组织演变、相变行为和压缩性能的影响上。由于结构缺陷(如微裂纹、孔隙)的存在,目前,SLM技术制备的NiTi SMAs在压缩条件下获得了良好的恢复应变,而拉伸恢复应变难以获得。


来自华南理工大学的杨超教授团队首次通过热处理(固溶和时效)调控SLM技术制备的 Ni50.4Ti49.6 SMA中Ni4Ti3纳米沉淀相的物性参数(如形貌和尺寸),获得了高达2.25~3.74%稳定拉伸回复应变,明晰了Ni4Ti3纳米沉淀相的物性参数对拉伸恢复应变稳定性的影响机制,研究结果为进一步了解Ni4Ti3纳米沉淀相的功能调控机理提供了依据,并为SLM NiTi SMAs的工程应用奠定了基础。[1]


研究发现,与SLM技术制备的NiTi SMA相比,热处理后的NiTi SMA基体中由于SLM过程产生的大量位错和残余应力等被基本消除,同时热处理后基体中形成了富Ni的Ni4Ti3相,导致B2基体中的Ni浓度降低,使得热处理态样品在相转变过程中的吸热焓和放热焓相较于SLM技术制造的样品明显增大。相较于SLM制备的3D打印样品中发生的单步相转变过程,热处理后的样品由于析出不同分布与尺寸的Ni4Ti3纳米沉淀相,表现出两步和三步相转变过程。


不同热处理状态的NiTi SMA(S350和S450),由于基体中Ni4Ti3纳米沉淀相的尺寸和形态不同,导致Ni4Ti3纳米沉淀相周围形成的应力/应变场不同,球状Ni4Ti3纳米沉淀相(~10 nm)周围的应力/应变场相较于透镜状Ni4Ti3纳米沉淀相(50~665 nm)周围的应力/应变场更大,因而在循环加载过程中,不同热处理状态的NiTi SMA基体中形成的位错与Ni4Ti3纳米沉淀相产生了不同的交互作用机制,即位错的塞积和位错的切过。


不同热处理样品的可恢复应变在循环增量加载和循环恒应力加载过程中都会趋于稳定。在循环恒应力加载过程中的稳定可恢复应变是由于循环拉伸过程中形成的位错与不同Ni4Ti3纳米沉淀相之间的不同相互作用机制,导致不同热处理样品基体中形成的位错在特定的拉伸周期内达到饱和,故获得了稳定恢复应变。


图1. SLM 3D打印试样在不同应力条件下的循环拉伸曲线


图2. SLM 3D打印样品经350 °C/450 °C × 1 h时效处理后在不同应力条件下的循环拉伸曲线


图3. SLM 3D打印样品经350 °C/450 °C × 1 h时效处理后的EBSD图


图4. SLM 3D打印样品的TEM图


图5. SLM 3D打印样品经350°C/450 °C × 1 h时效处理后的TEM图


图6.在450 MPa恒应力下经20次循环拉伸后的热处理样品的EBSD图


图7.在450 MPa恒应力下经20次循环拉伸后的热处理样品的TEM图


图8. Ni4Ti3纳米沉淀相的物性参数对热处理样品S350和S450的拉伸恢复应变稳定性的影响


总的来说,本研究首次通过热处理调控SLM制备Ni50.4Ti49.6 SMA中的Ni4Ti3纳米沉淀相的物性参数(如形貌、尺寸),系统研究了不同样品的循环拉伸稳定性,获得的稳定拉伸回复应变达到2.25~3.74%,并对其内在机制进行了讨论说明。研究结果为进一步了解Ni4Ti3纳米沉淀相的功能调控机理提供了依据,并为SLM制备的NiTi SMAs的工程应用奠定了基础。


华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心的博士研究生卢海洲为论文第一作者,杨超教授为论文通讯作者。该工作得到了广东省重点领域研发计划(No.2020B090923001)、国家自然科学基金(No. U19A2085)以及广东省基础与应用基础研究重大项目(No.2019B030302010)的支持。


[1] 相关论文以题为“Stable tensile recovery strain induced by a Ni4Ti3 nanoprecipitate in a Ni50.4Ti49.6 shape memory alloy fabricated via selective laser melting”发表在金属材料顶刊“Acta Materialia”上。


封面图源自于图虫创意

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