成亦飛

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

形狀記憶合金因其具有特殊的功能性特點(diǎn)，成為能夠?qū)崿F(xiàn)工程化應(yīng)用的金屬功能材料之一[1，2]，其中以NiTi形狀記憶合金的發(fā)展最為迅速，目前已經(jīng)在航空航天、高端民用制造業(yè)等領(lǐng)域嘗試應(yīng)用。但是，二元系NiTi形狀記憶合金在實(shí)際應(yīng)用時(shí)遇到了強(qiáng)度、硬度無(wú)法達(dá)到指標(biāo)要求的問題。為此通過調(diào)整鎳、鈦元素的比例，研發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型高強(qiáng)高硬形狀記憶合金。該合金既能夠保證具有良好的功能性，還能夠保證工程應(yīng)用領(lǐng)域所需要的綜合力學(xué)性能指標(biāo)。但是，隨著力學(xué)性能的顯著提升，導(dǎo)致該合金的熱加工性能下降，熱變形行為過程復(fù)雜。因此，如何解決新型二元系NiTi形狀記憶合金的鍛造性能，成為了該領(lǐng)域繼續(xù)解決的科學(xué)問題之一。本文以Ni60Ti40合金單道次熱變形試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)其熱變形前后的微觀組織進(jìn)行SEM、TEM進(jìn)行觀察與表征，重點(diǎn)揭示溫度對(duì)熱變形組織演變的影響規(guī)律。從而為該合金的熱成形工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)性組織演變理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中的材料為通過多次真空熔煉的NiTi合金鑄錠，名義成分如表1所示。

表1 NiTi形狀記憶合金名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工藝如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工藝

1.3 微觀組織觀察

對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)試樣，沿溫度均勻處切開（熱電偶焊接處），經(jīng)過手磨、拋光后經(jīng)過機(jī)械拋光，采用HF:HNO3:H2O=1:2:8進(jìn)行腐蝕，在ZX-10型顯微鏡上進(jìn)行微觀組織觀察。

制備TEM電鏡觀察試樣，雙噴液為：硝酸：甲醇=1:3，電壓為14V，溫度為-18℃。在JEM-2100透射電鏡上進(jìn)行TEM微觀組織表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 NiTi形狀記憶合金原始組織

圖1a為Ni60Ti40合金熱變形前的SEM組織照片。從圖中可以看出，熱變形前的原始組織區(qū)域等軸狀，平均晶粒尺寸約為63.2μm。圖1b為高倍數(shù)下合金SEM照片，存在大量的析出相。對(duì)析出相進(jìn)行能譜分析測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2中的分析結(jié)果中可以得出，該合金圖1b中所標(biāo)注的1和2為Ni3Ti，3為Ti2Ni，4為基體。這表明通過合金元素的調(diào)整，Ni60Ti40合金主要靠Ni3Ti、Ti2Ni相作為析出強(qiáng)化相。

圖1 Ni60Ti40合金原始鈦SEM照片

圖2 Ni60Ti40合金能譜分析

圖3 Ni60Ti40合金低應(yīng)變速率下的SEM顯微組織照片

2.2 變形溫度對(duì)合金顯微組織的影響

圖3為Ni60Ti40合金在低應(yīng)變速率（0.005s-1），不同溫度下（1023-1173K）的SEM照片。從圖4a中可以看出，溫度較低時(shí)（1023K），SEM中存在明顯的變形條帶特征，部分具有優(yōu)先變形特征的晶粒被拉長(zhǎng)；當(dāng)變形溫度增大至1073K時(shí)，圖4a中的組織特性消失，等軸細(xì)化晶粒開始增多，此時(shí)合金的成形性能由于低溫時(shí)，如圖4b所示；當(dāng)變形溫度繼續(xù)增大（1123K、1173K）時(shí)，該合金開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，當(dāng)溫度為1123K時(shí)，晶界呈現(xiàn)鋸齒狀，當(dāng)溫度增大至1173K時(shí)，鋸齒狀晶界相互作用，逐漸形成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軸晶粒，并且有晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)，如圖4a-c所示。Ni60Ti40合金在地應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高合金元素在原子層面運(yùn)動(dòng)加速，有利于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑移等現(xiàn)象的發(fā)生。圖4為Ni60Ti40合金在高應(yīng)變速率下（10s-1），不同溫度下（1023-1173K）的SEM照片。

圖4 Ni60Ti40合金高應(yīng)變速率下的SEM照片

從圖4中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率較大時(shí)（10s-1），溫度對(duì)該合金的熱成形性能較為敏感。當(dāng)溫度較低時(shí)（1023K），變形后的組織條帶效應(yīng)較為顯著，并且存在部分空洞，如圖4a所示。這是由于應(yīng)變速率較大，變形過程出現(xiàn)絕熱剪切效應(yīng)，熱量來(lái)不及快速擴(kuò)散，在晶界或析出相附近出現(xiàn)部分空洞，該現(xiàn)象對(duì)合金的熱變形行為產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)溫度增加到1073K時(shí)，圖4a中的微觀組織狀態(tài)消失，組織有球化的趨勢(shì)，空洞數(shù)量降低，如圖4b所示。這是由于隨著變形溫度的增加，原子運(yùn)動(dòng)加劇，在一定程度上抵消了大應(yīng)變速率下的絕熱剪切效應(yīng)。當(dāng)溫度增大至1173K時(shí)，該合金組織更為均勻，但是由于該合金的強(qiáng)化機(jī)制為Ni3Ti、Ti2Ni第二相強(qiáng)化，當(dāng)溫度過高時(shí)，在析出相周圍出現(xiàn)了由于變形而產(chǎn)生的空洞聚合長(zhǎng)大效應(yīng)。因此，該合金在高應(yīng)變速率條件下變形時(shí)，溫度變化區(qū)間必須予以充分考慮和精確控制。

圖5為Ni60Ti40合金應(yīng)變速率為0.5s-1條件，不同溫度下的TEM照片。

圖5 Ni60Ti40合金0.5s-1下的TEM照片

從圖中可以看出，在該應(yīng)變速率下，該合金在1073K條件下晶粒內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象。這是由于在該條件下，合金位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)最為顯著，這也是該合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的誘導(dǎo)條件之一。當(dāng)溫度增大至1173K時(shí)，該合金的TEM照片已經(jīng)呈現(xiàn)典型的等軸狀動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，晶粒內(nèi)部光滑，位錯(cuò)小時(shí)，晶界清晰。這說明，此時(shí)該合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)完成。結(jié)合熱變形過程，該條件下具有良好的熱壓縮成形性能。這也證明了該合金熱變形軟化機(jī)制為位錯(cuò)誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。

3 結(jié)論

（1）Ni60Ti40合金在高應(yīng)變速率下，熱變形溫度對(duì)其成形性能影響較為敏感，低溫和高溫下均出現(xiàn)空洞；而在低應(yīng)變速率下，該合金熱變形行為隨著變形溫度的升高而降低；

（2）Ni60Ti40合金發(fā)生空洞效應(yīng)的機(jī)制為Ni3Ti和Ni2Ti周圍高應(yīng)變速率下的絕熱剪切效應(yīng)；而適合變形工藝區(qū)間的變形機(jī)制為位錯(cuò)誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)理。