定向凝固NiTi-Al基合金的组织性能研究

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雅宝题库解析：
NiTi基合金具有优良的形状记忆效应，作为功能材料已经被成功地应用到医学领域。由于NiTi合金和大多数金属间化合物材料不同，属于少有的室温塑性良好的一种金属间化合物，因此近年来各国研究者针对这种韧塑性优良的金属间化合物，采用Al、Nb、Mo和Hf等元素进行合金化，或者调整Ni/Ti原子比等方法，进一步改善NiTi基合金的综合力学性能，以期开发一种新型的轻质航空航天结构材料。研究发现，Al元素的加入，明显增强合金的室温及高温压缩强度；Al和Nb元素的加入使NiTi基合金在800℃下具有良好的持久强度和优异的抗氧化性能，但同时损害了NiTi合金固有的优良室温塑性。材料的性能取决于组织，采用常规的铸造方法制备含有大量高活性元素的NiTiAl合金，很难避免铸造缺陷。本文采用液态金属冷却定向凝固方法，研究了定向凝固及热处理后的Ni-43Ti-4Al-2Nb-2Hf（at.%）合金的组织和性能，以及不同Ti/Al原子比对NiTiAlNbHf合金的组织和力学性能的影响；为实现NiTi-Al基合金的组织控制和性能优化提供实验参考依据。研究结果表明：对于Ni-43Ti-4Al-2Nb-2Hf（at.%）铸态合金，低温固溶热处理后，合金的相组成和形貌没有太大变化，白色的富Nb相有变少变小的趋势，晶粒有长大趋势。高温长时间固溶热处理后，绝大多数富Nb相从晶界固溶进基体，Al在基体和富Nb相中的分布明显得到了均匀化，而其他热处理制度并未有效改变Al元素的偏析，Hf在基体相中的分布趋于稳定。定向凝固工艺提高了Ni-43Ti-4Al-2Nb-2Hf（at.%）合金的室温拉伸性能，使Ni-43Ti-4Al-2Nb-2Hf合金的抗拉强度比原始的铸态合金提高了70％以上，经过适当的热处理后，抗拉强度达到了1900MPa以上，将近原来的2倍。同时发现该合金在550℃~700℃时具有中温脆性。高温拉伸过程合金经历了弹性形变、屈服软化，然后经过了较小的加工硬化及均匀塑性变形后，合金发生了显著收缩现象，形成局部颈缩，应力随之下降。高温拉伸断裂方式主要以韧窝扩展、孔洞相连方式为主。Ti/Al原子比的变化、定向凝固以及热处理工艺都没有改变NiTiAlNbHf合金的相组成及择优取向，热处理后合金相的XRD峰值相对热处理前更加明显。随着Al原子含量的增加，热处理前后的试样中深灰色NiTi基体相都呈减少趋势而浅灰色基体相有增多趋势，两种基体相的体积都有减小的趋势，热处理后，部分白色富Nb相和黑色的Ti2Ni相开始扩散进入基体，基体的衬度变小，组织更加均匀。无论在室温还是高温条件下，Ti45/Al2和Ti44/Al3其抗拉强度都相比Ti43/Al4合金有较大降低（20%~40%），而从Ti44/Al3到Ti45/Al2合金的抗拉强度的降低不明显（5%~15%）。