華南理工《Acta Materialia》：增材制造形狀記憶合金的納米沉淀相調(diào)控！

來源：材料科學與工程

NiTi形狀記憶合金（SMAs）具有優(yōu)異的超彈性、形狀記憶效應和良好的生物相容性等獨特性能，廣泛應用于航空航天、醫(yī)療和手術器械。大量研究證實，其基體析出相的類型和晶粒尺寸是控制應力誘導馬氏體相變的兩個重要因素，直接對NiTi SMAs中位錯的形成和運動產(chǎn)生影響。目前，研究者已經(jīng)通過細化B2相的晶粒到納米尺度來強化基體，抑制應力誘導馬氏體相變過程中的塑性變形，促進相變的發(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。實際上，模擬結果表明球形Ni4Ti3納米沉淀相周圍較大的應力/應變場能夠有效地阻礙了位錯在加載條件下的運動。然而，球狀和透鏡狀Ni4Ti3納米沉淀物對NiTiSMAs循環(huán)拉伸穩(wěn)定性的影響尚未詳細報道。

NiTi SMAs的導熱系數(shù)低、反應活性高，導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）突破了傳統(tǒng)加工的局限性，可以在無需后續(xù)再加工的情況下成形復雜的功能構件，如薄壁構件和點陣結構。近年來，SLM已被應用于NiTi SMAs元件的制造，擴大了其應用范圍。然而，目前的相關研究主要集中在工藝參數(shù)對組織演變、相變行為和壓縮性能的影響上。由于結構缺陷（如微裂紋、孔隙）的存在，目前，SLMed NiTi SMAs在壓縮條件下獲得了良好的恢復應變，而拉伸恢復應變難以獲得。

來自華南理工大學的楊超教授團隊首次通過熱處理（固溶和時效）調(diào)控SLMed 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2.25~3.74%穩(wěn)定拉伸回復應變，明晰了Ni4Ti3納米沉淀相的物性參數(shù)對拉伸恢復應變穩(wěn)定性的影響機制，研究結果為進一步了解Ni4Ti3納米沉淀相的功能調(diào)控機理提供了依據(jù)，并為SLM NiTi SMAs的工程應用奠定了基礎。相關論文以題為“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。

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

研究發(fā)現(xiàn)，與SLMed NiTi SMA相比，熱處理后的NiTi SMA基體中由于SLM過程產(chǎn)生的大量位錯和殘余應力等被基本消除，同時熱處理后基體中形成了富Ni的Ni4Ti3相，導致B2基體中的Ni濃度降低，使得熱處理態(tài)樣品在相轉變過程中的吸熱焓和放熱焓相較于SLMed樣品明顯增大。相較于SLMed樣品中發(fā)生的單步相轉變過程，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)出兩步和三步相轉變過程。

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，導致Ni4Ti3納米沉淀相周圍形成的應力/應變場不同，球狀Ni4Ti3納米沉淀相（~10 nm）周圍的應力/應變場相較于透鏡狀Ni4Ti3納米沉淀相（50~665 nm）周圍的應力/應變場更大，因而在循環(huán)加載過程中，不同熱處理狀態(tài)的NiTi SMA基體中形成的位錯與Ni4Ti3納米沉淀相產(chǎn)生了不同的交互作用機制，即位錯的塞積和位錯的切過。

不同熱處理樣品的可恢復應變在循環(huán)增量加載和循環(huán)恒應力加載過程中都會趨于穩(wěn)定。在循環(huán)恒應力加載過程中的穩(wěn)定可恢復應變是由于循環(huán)拉伸過程中形成的位錯與不同Ni4Ti3納米沉淀相之間的不同相互作用機制，導致不同熱處理樣品基體中形成的位錯在特定的拉伸周期內(nèi)達到飽和，故獲得了穩(wěn)定恢復應變。

圖1. SLMed試樣在不同應力條件下的循環(huán)拉伸曲線

圖2. SLMed樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時效處理后在不同應力條件下的循環(huán)拉伸曲線

圖3. SLMed樣品經(jīng)350 °C/450 °C × 1 h時效處理后的EBSD圖

圖4. SLMed樣品的TEM圖

圖5. SLMed樣品經(jīng)350°C/450 °C × 1 h時效處理后的TEM圖

圖6.在450 MPa恒應力下經(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)對熱處理樣品S350和S450的拉伸恢復應變穩(wěn)定性的影響

總的來說，本研究首次通過熱處理調(diào)控SLM制備Ni50.4Ti49.6 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)定拉伸回復應變達到2.25~3.74%，并對其內(nèi)在機制進行了討論說明。研究結果為進一步了解Ni4Ti3納米沉淀相的功能調(diào)控機理提供了依據(jù)，并為SLM制備的NiTi SMAs的工程應用奠定了基礎。

華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術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領域研發(fā)計劃（No.2020B090923001）、國家自然科學基金（No. U19A2085）以及廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（No.2019B030302010）的支持。