编号：CYYJ03159

篇名：纳米晶NiTiHf形状记忆合金温致/力致马氏体相变研究

作者： 孙舵

关键词： 高温形状记忆合金; 纳米晶; 超弹性; 驱动响应; 大塑性变形;

机构： 燕山大学

摘要： NiTiHf形状记忆合金因较高的马氏体相变温度与相对较低的成本,在航天航空、医疗器械与汽车工业等领域获得广泛关注。然而,该类合金存在两大技术挑战:其固有的本征脆性与高亲氧性使其在传统热机械加工过程中极易发生脆性开裂,显著增加成形难度;同时,去孪晶应力较高与基体屈服强度偏低之间的力学矛盾,尤其在高温环境下诱发马氏体相变时,往往伴随不可逆塑性变形,从而削弱合金的功能稳定性。针对此难题,本文采用大变形冷拔手段结合低温退火获得了不同Hf含量下的纳米晶NiTiHf合金丝(Ni50Ti46Hf4、Ni50Ti42Hf8、Ni50Ti38Hf12、Ni50Ti34Hf16),并利用DSC、DMA、TEM、原位广角XRD及单轴拉伸等手段,系统研究了其温致/力致马氏体相变的演变规律。主要研究结果如下: （1）本研究首次在不同Hf含量的NiTiHf合金中实现了90%的超大冷拔变形。当冷拔变形量超过60%时,基体中马氏体板条组织开始破碎,并在剪切带内形成非晶,且非晶晶化温度与晶化焓均随冷拔变形量的增加而升高。对比研究显示,在相同冷拔变形量（如90%）条件下,Ni50Ti34Hf16合金的非晶晶化温度（445℃）较商用Ni50Ti50合金（355℃）显著升高,而其非晶晶化放热焓（6.2 J/g）则明显降低。微观组织分析进一步揭示,与商用NiTi合金相比,NiTiHf合金在冷拔变形过程中形成的非晶体积分数显著降低,导致其晶化放热焓减小;而Hf元素的掺杂显著提高了晶化温度及非晶的热稳定性。 （2）通过对上述冷拔NiTiHf合金丝进行晶化退火,获得了晶粒尺寸为12-15 nm的纳米晶合金,并系统研究了不同Hf掺杂对纳米晶合金温致诱发相变行为的影响。研究发现,纳米晶合金的温致诱发马氏体相变路径与Hf掺杂量密切相关:当Hf掺杂量为4 at.%时,其相变路径呈现出B2→R→B19′的两步相变特征;而随着Hf含量进一步增加,相变路径则转变为B2→B19′+B19′应变玻璃。进一步分析表明,随着大原子半径Hf掺杂量的增加,马氏体相的晶格参数a和c呈现出增大趋势,而晶格参数b则逐渐减小,且单斜角β持续增大。 （3）研究了不同Hf掺杂对纳米晶NiTiHf合金的力致诱发相变行为的影响。结果显示,随着Hf含量的增加,其高温超弹温域由纳米晶Ni50Ti46Hf4合金的200℃拓宽至Ni50Ti34Hf16合金的280℃。即使在160℃的高温环境下,所有Hf含量的纳米晶合金均表现出6%的稳定超弹性。进一步地,在500 MPa恒应力约束下,纳米晶合金展现出2%-5%的稳定驱动响应,且残余应变仅为0.1%-0.2%,远低于经750℃退火获得的粗晶合金（1.2%-8.3%）。上述结果表明,纳米晶强化与固溶强化的协同作用可显著提高马氏体相变过程中材料对缺陷的抵抗能力,从而有效改善其在热机械循环中的尺寸稳定性。 （4）进一步系统探讨了热处理温度对高Hf掺杂的Ni50Ti34Hf16合金温致/力致诱发马氏体相变的影响。研究发现,该合金体系具有良好的纳米晶热稳定性,其晶界扩散激活能为304±18 k J/mol,显著高于已有报道文献值。所有热处理试样的温致诱发相变路径均为B2→B19′的一步相变,表明Hf的引入有效抑制了R相变的形成,且该相变路径不受晶粒尺寸影响。550℃退火的样品在经历10次热循环后,表现出72℃的相变热滞后,且峰值温度仅发生了6.6℃偏移,实现了大热滞后和热循环稳定性的兼顾。而500℃退火试样则展示出6%的高温超弹稳定性;并在300 MPa恒应力约束下保持稳定驱动响应,其马氏体相变开始温度稳定在30℃。循环后的微观组织进一步证明,纳米晶结构中无位错累积,基体的位错滑移临界应力显著提高,为上述性能的稳定性提供了微观机制支撑。