來源:材料科學(xué)與工程
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增材制造逐道逐層熔化和凝固金屬粉末的非平衡凝固特點,決定了其獨特的沉淀相析出行為,。尤其,,TiNi形狀記憶合金的沉淀相析出行為對合金成分和凝固條件非常敏感,。因此,,增材制造TiNi形狀記憶合金的熱處理工藝與組織性能關(guān)系,是一個亟待明晰的科學(xué)問題,。本研究通過設(shè)定的均勻化熱處理工藝,,研究了選區(qū)激光熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造工藝制備富Ti的TiNi合金中納米Ti2Ni沉淀相的分布與尺寸演化規(guī)律,,揭示了納米Ti2Ni相的分布與尺寸同其力學(xué)和形狀記憶性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián),,獲得了力學(xué)和形狀記憶性能同步提升的SLM TiNi形狀記憶合金。
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2022-3-13 20:56 上傳
背景介紹
大量研究表明控制金屬材料基體中沉淀相的尺寸和分布是調(diào)控其力學(xué)性能的重要方法之一,。對于TiNi合金而言,,研究表明第二相對其形狀記憶性能影響顯著,。作為富Ti的TiNi形狀記憶合金的重要沉淀相,Ti2Ni相具有復(fù)雜立方晶體結(jié)構(gòu),。研究表明,,TiNi合金中Ti2Ni沉淀相的形成與分布顯著影響其形狀記憶和力學(xué)性能。小尺寸Ti2Ni沉淀相易在晶界處形成,,有效阻礙TiNi合金晶粒進一步長大,,從而提高其強度。然而,,由于Ti2Ni沉淀相屬于金屬間化合物,,當其沿晶界長大為微米尺度時,,會導(dǎo)致TiNi合金在塑性變形早期發(fā)生斷裂,,從而導(dǎo)致延展性急劇下降。
為獲得高性能SLM TiNi合金,,本文對SLM制備的TiNi合金進行了3種不同的熱處理,,以調(diào)控SLM TiNi合金中Ti2Ni沉淀相的尺寸和分布。熱處理工藝的選取基于以下因素:
(1)根據(jù)TiNi二元相圖,,當熱處理溫度超過984 ℃時,,Ti2Ni沉淀相會固溶到基體中形成完全的B2奧氏體相;
(2)由于激光的局部快速加熱和冷卻,,SLM制備的金屬零件中存在高殘余熱應(yīng)力,,后續(xù)熱處理是減弱殘余熱應(yīng)力對性能不利影響的有效方法。
因此,,本文針對SLM制備富Ti的TiNi合金,,設(shè)計了三種熱處理工藝,以探究殘余熱應(yīng)力和Ti2Ni沉淀相的尺寸和分布對力學(xué)性能和形狀記憶性能的影響規(guī)律,。
第一種熱處理工藝稱為應(yīng)力消除退火(Stress relief annealing,,SRA),將合金在500 °C下進行熱處理,,以消除SLM成形過程中形成的殘余熱應(yīng)力,。
第二種熱處理工藝稱為完全固溶退火(Complete solution annealing,CSA),,將合金在1000 °C(此溫度高于Ti2Ni的固溶溫度)下進行熱處理,,旨在獲得均勻分布的Ti2Ni沉淀相。
第三種熱處理工藝稱為中溫退火 (Intermediate stage annealing,,ISA),,將合金在800 °C(此溫度低于Ti2Ni的固溶溫度)下進行熱處理,旨在觀察基體中原本存在的Ti2Ni的演變情況,。
在本文中,,采用符號“Sx-y”描述實驗樣品,,其中“x”和“y”分別表示三種熱處理工藝和相應(yīng)的熱處理溫度,即SRA和500 °C,,ISA和800 °C,,以及CSA 和 1000 °C。此外,,“As-SLMed”用于描述未經(jīng)熱處理的SLM TiNi合金,。
本文亮點
通過設(shè)定的熱處理工藝使得富Ti的TiNi合金基體中納米Ti2Ni沉淀相均勻化,具有均勻分布納米Ti2Ni 沉淀相的TiNi合金具有優(yōu)異的拉伸性能(拉伸強度為(880±13) MPa,,斷裂應(yīng)變?yōu)?22.4±0.4)%),,相對先前的文獻報道結(jié)果,實現(xiàn)了SLM TiNi合金強度和塑性的同時提高,;同時,,納米Ti2Ni沉淀相均勻化的TiNi合金具有良好的形狀記憶性能,其拉伸可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?.32%,,回復(fù)率高達98.2%,。
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圖1.(a)不同熱處理態(tài)SLM TiNi合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)本文中TiNi合金拉伸性能與相關(guān)報道工作的對比圖,,表明本工作同時提高了SLM TiNi合金的拉伸強度和應(yīng)變,。
圖文解析
根據(jù)TiNi合金的二元相圖,富Ti的TiNi合金中Ti2Ni在凝固過程中會優(yōu)先沉淀析出,。SLM過程中熔池極高的冷卻速度可有效阻礙富Ti的TiNi合金中過飽和Ti原子的長程擴散,。因此,可以推測在單道熔池軌跡中可以獲得均勻分布的Ti2Ni沉淀相,。此外,,由于原始粉末處于富Ti狀態(tài),因此單道熔池軌跡基體中的Ti原子濃度將高于50%(at.%),。對于SLM TiNi合金,,逐道次和逐層的循環(huán)熱處理會導(dǎo)致基體中部分過飽和Ti原子逐漸擴散到晶界處,從而導(dǎo)致晶界處Ti2Ni沉淀相的形成和生長,。因此,,在SLM TiNi合金晶界處將形成不均勻的半連續(xù)針狀Ti2Ni沉淀相。在500 °C進行熱處理后,,基體中少量過飽和Ti原子向晶界移動,,然而,在此溫度下不足以形成沿晶界連續(xù)分布的條狀Ti2Ni沉淀相,。因此,,其微觀結(jié)構(gòu)類似于SLM樣品。當在800 °C熱處理時,,晶界將形成連續(xù)分布的長條狀Ti2Ni沉淀相,。究其原因,,與500 °C相比,過飽和Ti原子在800 °C時具有更高的擴散系數(shù)和更長的擴散距離,,因此,,更多Ti原子在晶界處富集形成了連續(xù)的長條狀Ti2Ni沉淀相。對于1000 °C的熱處理,,基體中的Ti2Ni沉淀相會先固溶進入基體,,形成過飽和固溶體;在隨后的淬火過程中,,球狀納米級Ti2Ni沉淀相將在基體內(nèi)部均勻析出,。
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圖2. 不同熱處理條件下SLM TiNi合金的組織演變示意圖。
進而,,用電爐將預(yù)變形狀態(tài)的TiNi合金構(gòu)件加熱到高于Af以上溫度,,預(yù)變形零件逐漸回復(fù),最終完全回復(fù)到原始形狀,,這表明本文熱處理工藝得到的TiNi合金具有良好的形狀記憶效應(yīng),。
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圖3. SCSA-1000構(gòu)件的彎曲回復(fù):(a)TiNi合金構(gòu)件的原始形狀,(b)變形狀態(tài),,(c)加熱回復(fù)過程,(d)加熱后回復(fù)到原始形狀,。
總結(jié)與展望
TiNi合金力學(xué)性能提高是其功能特性提高的基礎(chǔ),,本文詳細研究了不同熱處理條件下SLM制備富Ti的TiNi合金的微觀結(jié)構(gòu)演變、相轉(zhuǎn)變行為以及力學(xué)和形狀記憶特性,,得到了力學(xué)性能和形狀記憶性能同步提升的TiNi合金,,后續(xù)研究需要聚焦于SLM制備TiNi合金的功能疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞特性,以加快其工業(yè)化應(yīng)用進程,。
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