Ti-Ni基形狀記憶合金的發(fā)展及應用(共7頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上Ti-Ni基形狀記憶合金的發(fā)展及應用青島理工大學·土木工程學院·侯昭兵摘要：形狀記憶合金是現(xiàn)代一種新型功能材料,本文介紹了Ti-Ni基記憶合金的的相關重要概念，并且詳細介紹了Ti-Ni基合金的相變與性能特點及其影響因素，同時對其應用做了一定的描述。綜述了Ti-Ni基形狀記憶合金最近的基礎研究和應用研究進展，對Ti-Ni基形狀記憶合金的馬氏體相變以及Ti-Ni基高溫形狀記憶合金、Ti-Ni基形狀記憶合金薄膜、Ti-Ni基復合材料以及Ti-Ni基形狀記憶合金在航空航天等領域的應用進行了評述和歸納，結合Ti-Ni基形狀記憶合金材料和應用研究取得的新進展，

2、總結出目前其主要研究重點在于闡明其馬氏體相變機理，提高形狀記憶效應，改善高溫形狀記憶合金的冷熱加工性能以及其工程和生物醫(yī)學應用等方面認為多功能化，穩(wěn)定化和集成化是當前Ti-Ni基形狀記憶合金研究的主要發(fā)展趨勢，最后展望了Ti-Ni基形狀記憶合金的發(fā)展前景。關鍵詞：形狀記憶合金、馬氏體相變、高溫形狀記憶效應、影響、應用1 前言 形狀記憶合金是70年代開發(fā)韻新型功能材料，其中Ti-Ni合金具有優(yōu)異的形狀記憶特性和超彈性性能，同時還呈現(xiàn)出良好的阻尼特性、耐腐蝕性和生物相容性等，在航天航空、機械、能源、電子、醫(yī)學和日常生活等領域都獲得了廣泛的應用1。該設備已在航空航天，儀器儀表，控溫儀器和及應用在醫(yī)療

3、設備上，在能源行業(yè)也有很大的應用潛力。新型形狀記憶材料和一些新的用途不斷在不斷的發(fā)展和探索中。形狀記憶合金和陶瓷基形狀記憶材料的制成，通過逆馬氏體相變的形狀記憶效應導致的晶型變化。目前總結前輩的工作的基礎上，對形狀記憶效應的機制做一些理論的分析，并由此為未來的形狀記憶合金做出科學的設計思路。Ti-Ni形狀記憶合金在醫(yī)學領域的使用在提高人類生活質量方面發(fā)揮了巨大的作用。然而，鈦合金植入人體后，在體液中不可避免地會發(fā)生腐蝕。腐蝕不僅會降低金屬材料的力學和機械性能，甚至會導致值入失效，而且，溶入體液的Al、V、Ni離子對周圍組織會產(chǎn)生一定的副作用，嚴重的則引發(fā)組織病變或癌變2。因此，醫(yī)用材料的耐蝕性

4、研究對于保障其在人體的安全使用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在形狀記憶合金研究方面所發(fā)表的論文數(shù)很快躍居馬氏體相變研究領域之最。不僅如此，形狀記憶合金在工業(yè)界也開始受到了極大的重視。形狀記憶合金在應用開發(fā)中申請的專利已逾萬件。在市場上付諸實際應用的例子已有上百種。應用所涉及的領域極其廣泛，包括電子、機械、宇航、運輸、建筑、化學、醫(yī)療、能源、家電以及日常生活用品等，幾乎涉及產(chǎn)業(yè)界的所有領域。2 相關概念2.1 形狀記憶效應一般金屬材料收到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，金屬就產(chǎn)生塑性變形，應力消除后就產(chǎn)生了永久變形。有些金屬在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，從而形成殘余形變。當材料加熱時，

5、材料的殘余形變消失，并回復到高溫下所固有的形狀。再進行加熱或冷卻時，形狀保持不變，這就是所謂的形狀記憶效應，它就像合金記住了高溫狀態(tài)的形狀一樣。具有形狀記憶效應的金屬通常是兩種以上金屬的合金，因此稱為形狀記憶合金3。形狀記憶效應是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的。通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相，或奧氏體相，是一種體心立方晶體結構的（又稱B2）。低溫相叫做馬氏體相(M)，是一種低對稱性的單斜晶體結構。從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變。從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變 12。馬氏體逆相變中表現(xiàn)的形狀記憶效應，不僅晶體結構完全回復到母相狀態(tài)。晶格位向也完全回復到母相狀態(tài)，這種相變晶體學可逆性只發(fā)

6、生在產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金中。2.2 熱彈性馬氏體相變(Thermoelastic Martensitic Transformation)在金屬的馬氏體相變中，根據(jù)馬氏體相變和逆相變的溫度滯后大小(即AsMs)和馬氏體的長大方式大致分為熱彈性馬氏體相變和非熱彈性馬氏體相變。 普通鐵碳合金的馬氏體相變?yōu)榉菬釓椥择R氏體相變。其相變溫度滯后非常大，約為幾百度。各個馬氏體片幾乎是在瞬間就長到最終大小，且不會因溫度降低而再長大，相變過程是以在未相變的母相領域內生成新的馬氏體的形式進行。形狀記憶合金的馬氏體相變屬于熱彈性馬氏體相變（但具有熱彈性馬氏體相變的材料并不都具有形狀記憶效應4）。其相變溫度滯后

7、比非熱彈性馬氏體相變小一個數(shù)量級以上，有的形狀記憶合金只有幾度的溫度滯后。冷卻過程中形成的馬氏體會隨著溫度的變化而繼續(xù)長大或收縮，母相和馬氏體相的相界面表現(xiàn)出彈性式的相界面推移，在相變的全過程中一直保持著良好的協(xié)調性。2.3 馬氏體變體當形狀記憶合金被冷卻到相變溫度Ms以下時，母相的一個晶粒內會生成許多慣習面位向不同，但在晶體學上是等價的馬氏體，把這些慣習面位向不同的馬氏體叫做馬氏體變體。馬氏體變體一般存在24個。在各個馬氏體變體生成時都伴隨有形狀變化，在合金的局部產(chǎn)生凹凸但是作為整體，在相變前后其形狀并不發(fā)生改變，這是因為若干個馬氏體變體組成菱形狀片群。如圖33所示4。或組成三用錐狀片群。它

8、們互相抵消了生成時產(chǎn)生的形狀變化，這樣的馬氏體生成方式被叫做自協(xié)作馬氏體自協(xié)作形貌示意圖如果存在有外部應力或內部應力，特定的馬氏體變體?；蛘哒f相對于應力處于最有利位向的馬氏體變體就會優(yōu)先生成。這時，合金的整體將會表現(xiàn)出宏觀的形狀變化。馬氏體變體在相變過程中的自協(xié)作是形狀記憶效應的重要機制。2.4 應力誘發(fā)馬氏體相變形狀記憶合金在外部應力作用下，由于誘發(fā)產(chǎn)生馬氏體相變而導致合金的宏觀變形，是剪切變形。這和滑移變形、孿生變形一樣，也是合金的一種變形模式。這種由外部應力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變叫應力誘發(fā)馬氏體相變。當形狀記憶合金受到的剪切分應力小于滑移變形或孿生變形的臨界應力，即使在Ms溫度之上也會發(fā)生

9、應力誘發(fā)馬氏體相變。也就是說，外部應力使相變溫度上升。形狀記憶合金在Af溫度點以上產(chǎn)生應力誘發(fā)馬氏體相變，一般會表現(xiàn)出相變偽彈性效應。但是，應力誘發(fā)馬氏體相變并非都會產(chǎn)生相變偽彈性效應。3 Ti-Ni基合金形狀記憶性能的影響因素3.1 熱處理工藝對形狀記憶效應的影響對比研究了冷加工+熱處理對不同 Ni含量的 Ti-Ni合金相變的影響。結果表明: 熱處理溫度不同,加熱和冷卻過程中發(fā)生的相變可以分為3種情況低溫熱處理:冷卻時發(fā)生B2yRyM相變,加熱時發(fā)生MyRy B2相變；中溫熱處理: 冷卻時相變類型同上,而加熱時發(fā)生MyB2相變, R相再出現(xiàn)；高溫熱處理:冷卻時發(fā)生B2yM相變,而加熱則發(fā)生M

10、y B2 相變。隨 Ni含量的增加, 加熱時 R相出現(xiàn)的溫度范圍變得寬且清晰。另外,R相溫度對熱處理的依賴也變強。樣品在低溫熱處理時, R相變峰獨立于逆相變非常明顯。而在933 K熱處理時, 隨Ni含量的增加, Ms溫度顯著降低。就此溫度而言, 由于冷加工存在一個強的殘余應力, R相變溫度大概在330K,幾乎不受Ni含量的影響。Ti-Ni二元系形狀記憶合金除具有良好的 SME和SE特性外,還具有豐富的相變行為。賀志榮 用DSC和部分熱循環(huán)分析法研究350 800 e 退火態(tài)和 300 500 e 時效態(tài) Ti2()Ni形狀記憶合金多階段可逆相變的類型及其演化過程。研究表明,上述 Ti-NiSM

11、A在兩種熱處理條件下,可以發(fā)生 R和M兩種可逆相變,一種相變可以一階段完成, 也可以多階段完成。時效態(tài)合金的相變比退火態(tài)復雜, 時效溫度越低相變越復雜。同時, 該研究也證實了相變類型強烈地依賴于熱處理工藝, 并揭示了部分熱循環(huán)法是確定正、逆相變峰對應關系、分析多階段可逆相變演化過程的有效方法。3.2 合金成分對形狀記憶效應的影響合金元素對 Ti-Ni合金的相變溫度有顯著的影響。Pd、Au、Hf等可提高合金的相變溫度,而Fe、Al、Cr、Co、V等可降低合金的相變溫度。Co不影響T i2N合金的相變類型, 但降低其相變溫度。以 Co分別取代等量 Ti和 Ni后對相變的影響效果不同。若用 HM表示

12、M相變峰溫度,則以 110Co取代等量 Ti和 Ni后,HM 分別降低了 109 e 和 22 e 。可見 Co取代 Ti對相變的影響程度是 Co取代 Ni的 5倍,原因是 Ti為升高Ti-Ni合金相變溫度的元素, 而 Ni和 Co是降低該合金相變溫度的元素, 因此 Co取代等量 Ti后會造成相對較大的相變溫度落差。對比研究了以少量 V和 Cr取代 Ti后,對Ti-Ni超彈性合金相變和形變特性的影響。結果發(fā)現(xiàn),V和 Cr的加入,降低了Ti-Ni合金的 R、M相變溫度,這使得在室溫下獲得 SE特性變得更加容易。加入0.13% Cr后,相變類型和$HR基本不變;但是HR、HM大幅度降低。500 e

13、 退火后,加入015% V后,HM將為- 59 e 。與其相比,加入Cr后的HM由- 47e降至-127e,約為前者的2倍。3.3 固溶、時效處理對比研究了不同熱處理方式對Ti25018Ni合金相變溫度的影響。結果表明:固溶處理后合金 Af值隨熱處理溫度升高, 變化為 20 e 左右。固溶+時效處理后,隨時效時間延長, Af值有上升,但變化不大。謝慶峰等對固溶后的Ti25018Ni合金進行了時效處理 結果發(fā)現(xiàn), Af值可下降20 30 e左右 ,而 Ms變化不大。另外, 通過適當?shù)臒崽幚砉に嚳梢哉{節(jié) Ti-NiSMA的相變溫度, 在 300 500 e 時效處理保溫時間越短,Af溫度降低越明顯

14、在相同保溫時間時,溫度越低,Af溫度降低越明顯。不同固溶處理溫度、時間,其相變過程基本類似,對合金的Af 幾乎沒有影響。楊宏進等對Ti2xN(x= 4919, 5010, 5011) 012mm的原板材經(jīng)800 e ,15min水冷,800e30min水冷及900e30min水冷處理,用 DSC測得合金的 Af值均接近 80 e,驗證了上述結論。時效處理僅對Ni含量大于5016% 的合金相變溫度及 SME產(chǎn)生影響。400 500e時效析出Ti3Ni4 粒子,約束應力使得 Ti3Ni4 產(chǎn)生擇優(yōu)取向,引起雙程記憶效應。約束時效后, 相變溫度 Af值明顯升高,時間越長,Af越高。固溶、時效及熱循環(huán)

15、對富鎳合金相變及形狀記憶效應的影響。結果表明，固溶及以上溫度時效，在升降溫中只發(fā)生馬氏體相（）和母相的可逆相變，熱循環(huán)可獲得相（菱面晶結構）相變，而時放出現(xiàn)相變。隨時效溫度升高，馬氏體相變開始溫度（）、相變開始溫度（）、馬氏體逆轉變?yōu)槟赶嗟拈_始溫度（）呈先升后降的趨勢，并在有最大值。其形狀恢復率是固溶處理的小于時效處理的，而在時效形狀恢復率較高，且高于經(jīng)同樣固溶及時效工藝處理的富鈦合金。3.4 應變狀態(tài)近年來,人們開始轉入對預應變 Ti-Ni SMA的逆相變行為。在小應變條件下, As點的升高是由于預應變釋放了馬氏體的彈性應變能,大應變條件下 As點的升高是由于缺陷阻礙的結果。通過研究發(fā)現(xiàn)冷軋

16、 Ti-Ni形狀記憶合金的馬氏體逆相變開始溫度As隨著冷軋度的增加而升高,并認為其主要機制是冷軋形成的位錯、空位等缺陷阻礙了馬氏體逆轉變。Ti-Ni合金經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗? 可以獲得優(yōu)良的 SME和 SE特性, 同時也可以獲得較好的耐磨性能。3.4.1 SME和 SE及其影響因素Ti-Ni二元合金的相變行為和 SME特性強烈地依賴于 Ni含量、熱處理工藝。研究表明 , Ti-Ni合金要在室溫下完全獲得 SME,M相變結束溫度 (Mf)應在室溫以上, 故合金的 Ni含量應小于 5010%。研究發(fā)現(xiàn), Ti-Ni合金在 673 773 K溫度范圍內退火后, SME特性良好, 當退火溫度高于 823

17、 K時,SME惡化。這是因為退火溫度過高時, 合金的屈服強度將降低,故對 SME特性不利.合金成分、熱處理、加工狀態(tài)等對 Ti-Ni的 SE 特性有著重要的影響.Ti-Ni合金的 SE特性與 Ni含量有很大關系,且近等原子比和富鎳T i2N合金的 SE特性要優(yōu)于貧鎳 Ti-Ni合金。文獻也表明了合金元素如 V和 Cr加入后會使合金更容易地獲得 SE。另外, O、N元素的加入會降低合金的相變溫度,惡化合金的 SME、SE。應強調的是,由于 Ti-Ni合金的 SME、SE受多種因素影響,因此在實際中,需綜合考慮合金成分、加工狀態(tài)、熱處理以及其它工藝因素。3.4.2 耐磨性及其影響因素與典型的耐磨材

18、料相比, Ti-Ni合金的硬度較低,但其耐磨性非常優(yōu)良,甚至超過普通耐磨材料 。研究發(fā)現(xiàn), Ti-Ni合金優(yōu)異的摩擦性能主要來源于合金的相變超彈性,另外其良好的應變硬化效應、熱硬性、耐腐蝕等特性也有助于合金的耐磨性。對不同 Ni含量的 Ti-NiSMA的抗磨損性能進行了研究。結果表明: Ti-Ni SMA的抗磨損性能主要取決于合金的硬度和相組成。對于相組成為B+ M的 Ti-Ni合金來說, 其硬度的大小取決于 B相含量, B相含量越高,合金的硬度越高,而對于含馬氏體相的合金來說其硬度變化又受到 Ni含量的強烈影響。在干摩擦條件下, 含單一 B相合金的抗磨損量是單相馬氏體合金的5倍左右。研究表明

19、: 經(jīng)此工藝及退火處理后的 Ti-Ni合金由于發(fā)生了嚴重的塑性變形,導致晶粒細化,從而提高了合金抗塑性變形的能力,改善了合金的耐磨性。4 Ti-Ni基記憶合金的性質及特點近等原子比的Ti-Ni基記憶合金是最早得到應用的一種記憶合金。由于其具有優(yōu)異的形狀憶效應、高的耐熱性、耐蝕性、高的強度以及其他合金無法比擬的熱疲勞性與良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到廣泛的應用。 Ti-Ni基記憶合金的相變溫度對成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就會引起相變溫度降低10，添加的第三元素對Ti-Ni 合金相變溫度的影響也很大。具有豐富的相變現(xiàn)象、優(yōu)異的形狀記憶和超彈性性能、良好的力學性能、耐腐蝕性、生

20、物相容性以及高阻尼特性；研究最全面、記憶性好、實用性強的形狀記憶合金材料，是目前應用最為廣泛的形狀記憶材料。Ti-Ni基記憶合金的特點：a) 機械性質十分優(yōu)良，能恢復的形變可高達10（一般金屬材料0.1）；b) 加熱時產(chǎn)生的回復應力非常大，可達500MPa；c) 無通常金屬呈現(xiàn)的“疲勞斷裂”現(xiàn)象；d) 可感受溫度、外力變化并通過調整內部結構來適應外界條件對環(huán)境刺激的自適應性。5 Ti-Ni基記憶合金的應用Ti-Ni基記憶合金的應用已遍及航空、航天、機械、電子、能源、醫(yī)學以及日常生活中。在航天、航空方面將TiNi合金絲在母相狀態(tài)下制成天線后，冷至低溫使其轉變?yōu)檩^軟的馬氏體，折疊成體積很小的團狀。

21、待進入太空后，被彈出，在受太陽光輻射升溫，溫度高于Af后，團狀天線便自動展開，恢復其母相的形狀即工作狀態(tài)。在電子及機械工程方面應用有管接頭、緊固圈、連接套管、緊固鉚釘?shù)?。?yōu)點：夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；適于不易焊接的接頭，如嚴禁明火的管道連接、焊接工藝難以進行的海底輸油管道修補等；金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；安裝時不需要熟練的技術。在工程和建筑領域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測地震損害控制的潛力已顯示出來。已試驗了橋梁和建筑物中的應用，因此作為隔音材料及探測損害控制的應用已成為一個新的應用領域。在生物醫(yī)學方面，血栓過濾器：將馬氏體狀態(tài)的NiTi合金絲通過導管送到靜脈中預定位置，去掉合金的束縛，在體溫下其恢復到母相的網(wǎng)狀，從而將靜脈中的血凝塊打碎，并阻止其流向心臟。人工心肌纖維：將NiTi絲包裹在彈性體制成的人工心臟外部，周期性地給以電脈沖加熱，則可使心臟伸縮運動。在日常生活方面電加熱水壺的手柄控制器、暖氣閥門、防燙傷閥、空調調節(jié)器、電冰箱自動開關、高溫報警裝置等。特點：結構簡單、可靠性高、成本低。6.Ti-Ni基形狀記憶合金的發(fā)展前景7 結束語Ti-Ni形狀記憶合金及其工程應用研究雖然已經(jīng)取得了很大進展,但由于它的跨學科復雜性,許多工作尚有待于進一步研究。SMA薄