重熔NiTi形狀記憶合金成分、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、NiTi形狀記憶合金由于其獨特的形狀記憶效應和良好的綜合性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。然而，NiTi形狀記憶合金優(yōu)越的性能強烈依賴于其成分、處理過程及雜質(zhì)含量，故對制備和加工要求非常嚴格，成本較高，這已成為制約其進一步發(fā)展應用的因素之一。與此同時，NiTi形狀記憶合金器械的加工過程中會產(chǎn)生大量的邊角料，材料利用率非常低。因此，迫切需要對NiTi形狀記憶合金邊角料加以利用，甚至實現(xiàn)循環(huán)應用。目前對金屬材料循環(huán)利用的有效方法是對廢料進行回爐

2、重熔，然而還未見NiTi形狀記憶合金重熔的研究報道。因此，弄清重熔后NiTi形狀記憶合金的成分、結(jié)構(gòu)與性能，將為該合金的循環(huán)利用研究提供一定依據(jù)，具有重要的理論價值與實際意義。 本文采用真空感應熔煉的方法，在實驗室條件下，分別用ZrO2坩鍋和石墨坩鍋，對不同配比的NiTi形狀記憶合金邊角料與電解鎳和海綿鈦的混合重熔及完全邊角料重熔進行對比研究。根據(jù)實驗室研究的結(jié)果，采用工業(yè)生產(chǎn)工藝，對NiTi形狀記憶合金邊角料進行重熔。詳細研究

3、了NiTi形狀記憶合金工業(yè)重熔后的成分、結(jié)構(gòu)、相變行為、形狀記憶效應及其力學性能，分析了其性能變化的原因。研究結(jié)果表明： 采用石墨坩鍋重熔后合金中雜質(zhì)元素主要是C、O的增加，C的增加主要來源于熔體與石墨坩鍋的反應，反應程度隨邊角料含量增加而增加，并遵循溶解析出的反應機制。同時邊角料中相對較高的C含量也會在重熔后進行累積。O元素來源于原料和熔煉氣氛，在凝固過程中雜質(zhì)元素。存在聚集于鑄錠邊緣的趨勢。采用ZrO2坩鍋重熔后合金中的C含

4、量與石墨坩鍋重熔的相比有所下降，但會使合金增O，同時引入了新的雜質(zhì)元素Zr，這對NiTi形狀記憶合金是非常不利的。雜質(zhì)元素N、H的含量比較低，但隨邊角料增加相應增加?；旌现厝酆螅辖鸬慕M織不均勻，成分偏析嚴重。盡管完全由邊角料重熔后合金中的雜質(zhì)含量相對較高，但在標準允許的范圍內(nèi)，且組織比混合重熔合金的均勻，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗笠搀w現(xiàn)出明顯的熱彈性馬氏體相變行為。 重熔后合金中的雜質(zhì)相主要是TiC，且其形貌、尺寸不一，并出現(xiàn)大塊Ti

5、C沿晶界分布的現(xiàn)象。合金中還出現(xiàn)了尺寸較大、不規(guī)則的Ti44Ni25O31氧化物，但數(shù)量較少。重熔合金熱軋后出現(xiàn)明顯的擇優(yōu)取向，晶粒破碎嚴重。經(jīng)熱處理后，變形晶粒恢復，但比一次熔煉合金的細小。時效后重熔合金在室溫下出現(xiàn)了R相，抗熱沖擊的能力降低。 由于C、O含量的增加，造成重熔后合金中局部Ni/Ti比增大，Ti3Ni4析出相增多，合金中第二相及其周圍的晶格畸變增加，對馬氏體相變時界面遷移的阻礙作用增加；另外，由于合金中馬氏體相與

6、B2母相、TiC與B2相在<110>晶向的位向關(guān)系，及B2/TiC的界面的半共格關(guān)系，母相沿<110>晶向切變形成馬氏體及其逆相的過程變受TiC的阻礙，重熔合金中TiC含量增加，阻礙作用增強。上述共同作用的結(jié)果導致重熔后合金出現(xiàn)復雜的相變行為，相變溫度降低，相變溫度區(qū)間變寬，形狀記憶效應下降。合金的電阻溫度系數(shù)與TiC含量有關(guān)，TiC含量為0.1at％的合金呈現(xiàn)出正的電阻溫度系數(shù)，而TiC含量為0.5at％的合金卻表現(xiàn)為反常的負電阻溫度

7、系數(shù)。重熔后合金室溫拉伸過程中的延伸率降低，合金中雜質(zhì)含量對其塑性變形的影響隨時效溫度的升高而加大，這歸因于雜質(zhì)相及Ti3Ni4析出相對R相及B19'相變的影響。析出相增多、晶粒細化使得重熔合金表現(xiàn)出略高的強度。上述原因也導致其在彎曲載荷的作用下變形能力變差，抗彎能力增高。SEM原位拉伸觀察表明，由于應力集中，塊狀Tic相是合金中薄弱的區(qū)域。重熔后合金加載過程中在TiC相周圍產(chǎn)生大量微裂紋，微裂紋同時擴展、相互奎接，使其快速斷裂，加之合