NiTi形狀記憶合金(SMAs)具有獨(dú)特的超彈性、形狀記憶效應(yīng)和良好的生物相容性，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、外科器械和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。NiTi SMAs的超彈性來(lái)源于B2-B19′馬氏體在等溫絕熱條件下由機(jī)械應(yīng)力激活的非擴(kuò)散相變。大量研究證實(shí)，晶粒尺寸和析出相的類(lèi)型是控制應(yīng)力誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變的重要參數(shù)，從而影響NiTi SMAs中位錯(cuò)的形成和滑移。Ni4Ti3納米相作為NiTi SMAs中的重要析出相之一，通過(guò)調(diào)控析出相的形貌、尺寸、密度和分布可改變NiTi SMAs的物理性能進(jìn)而調(diào)整其功能性。選擇性激光熔化(SLM)作為一種逐層增材制造工藝，可以制造高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，近年來(lái)，SLM被直接應(yīng)用于制備N(xiāo)iTiSMAs，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。目前，相關(guān)研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)微觀組織演變、相變行為和壓縮性能的影響。近年來(lái)，對(duì)SLM NiTi SMAs的拉伸性能研究較少。現(xiàn)有報(bào)道中，循環(huán)拉伸穩(wěn)定性和相應(yīng)的SLM NiTi SMAs的物理機(jī)制尚未得到研究和闡明。

華南理工大學(xué)的研究人員首次嘗試通過(guò)熱處理調(diào)控Ni4Ti3納米析出相的物理性能來(lái)改善Ni50.4Ti49.6 SMA的循環(huán)拉伸穩(wěn)定性，在熱處理SMA中獲得了高達(dá)2.25-3.74%的穩(wěn)定拉伸回復(fù)應(yīng)變，探討了納米析出相的影響機(jī)理和作用機(jī)制。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Acta Materialia。

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

本文選用的SLM制備工藝為：激光功率70W、掃描速度120mm/s、粉末層厚度30μm，制備后進(jìn)行1000℃×1h固溶處理(氬氣氛圍下)，再進(jìn)行350/450℃×1h時(shí)效處理(冰水淬火)，未熱處理和不同時(shí)效溫度處理后的試樣簡(jiǎn)稱(chēng)為SSLM、S350和S450。

研究發(fā)現(xiàn)SSLM的DSC結(jié)果為單相相變，S350和S450表現(xiàn)出多階段相變，并伴有R相變發(fā)生。這是由于兩個(gè)樣品中不同物理性質(zhì)的Ni4Ti3納米析出相引入了應(yīng)變/應(yīng)力場(chǎng)。特別是S350試樣的三階段相變?cè)从诰Я?nèi)相對(duì)于晶界區(qū)域較大的應(yīng)變/應(yīng)力場(chǎng)。S350和S450樣品的Hend和Hexo值比SSLM樣品的值大得多，這是由于兩個(gè)樣品中形成了富Ni的Ni4Ti3納米析出相，導(dǎo)致位錯(cuò)基本消除，SLM殘余應(yīng)力和B2中Ni濃度降低。S350和S450樣品的Hend和Hexo值在20次拉伸循環(huán)后下降，這是由于高密度位錯(cuò)的形成和在拉伸循環(huán)過(guò)程中Ni4Ti3納米析出相周?chē)膽?yīng)變/應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)，形成了穩(wěn)定的B19′馬氏體。

圖1 Ni50.4Ti49.6粉末的形貌、尺寸分布和制備過(guò)程

圖2 S350和S450的IPF圖和EBSD圖

圖3 SLM的TEM圖

圖4 S350和S450的TEM圖

綜上所述，SLM制備N(xiāo)iTi形狀記憶合金中穩(wěn)定的拉伸恢復(fù)應(yīng)變是通過(guò)熱處理調(diào)整Ni4Ti3的物理性能實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步闡明了熱處理后SMA拉伸試驗(yàn)前后穩(wěn)定拉伸恢復(fù)應(yīng)變和多階段相變的機(jī)理。在恒定的加載循環(huán)中，S350和S450試樣的εrec逐漸減小到一個(gè)穩(wěn)定的臨界值，而在拉伸載荷增量作用下εrec逐漸增大到一個(gè)穩(wěn)定的值。穩(wěn)定的εrec來(lái)源于形成的位錯(cuò)在臨界拉伸循環(huán)下飽和，這是由于形成的位錯(cuò)與不同物理性質(zhì)的納米Ni4Ti3相互作用造成的。在相同的加載應(yīng)力或拉伸循環(huán)次數(shù)下，S350試樣的εrec值明顯低于S450試樣。這主要是由于S350試樣加載過(guò)程中位錯(cuò)增加幅度較小，導(dǎo)致殘余穩(wěn)定馬氏體含量顯著降低。本文為調(diào)控NiTi SMAs的微觀結(jié)構(gòu)和功能性提供了理論基礎(chǔ)。