作 者
席瑞、姜浩、李桂川、張志輝、韋輝亮、趙國群、Jan Van Humbeeck、王協彬
機 構
山東大學
Citation
Xi R, Jiang H, Li G C, Zhang Z Z, Wei H L, Zhao G Q, Humbeeck J V, Wang X B. 2024. Effect of solution treatment on the microstructure, phase transformation behavior and functional properties of NiTiNb ternary shape memory alloys fabricated via laser powder bed fusion in-situ alloying. Int. J. Extrem. Manuf. 6 045001.
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad35fc
撰稿 | 文章作者
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文章導讀
NiTi基形狀記憶合金具有獨特的“形狀記憶效應”與“超彈性”，在航空航天、汽車工業及生物醫療等領域具有廣闊的應用前景。其中，NiTiNb三元合金由于寬滞後特性在管接頭領域備受關注。然而，傳統NiTiNb合金的推廣應用面臨着熔煉難（元素熔點差異大）與加工難（加工硬化強、焊接性能差）等瓶頸問題。雷射粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）作為一種增材制造技術是解決NiTiNb合金加工難題的理想方法，另一方面，L-PBF特有的微區冶金過程也是一種極具潛力的“原位冶金”手段來解決NiTiNb合金冶煉難題。然而，L-PBF原位合成的NiTiNb合金通常表現有顯微組織不均勻、力學性能差等問題。是以，通過後處理優化顯微組織、改善組織的不均勻性，是提高NiTiNb合金力學性能與功能特性的必要方法。
近期，山東大學材料科學與工程學院王協彬教授與吉林大學、南京理工大學、比利時魯汶大學（KU Leuven）等研究團隊聯合在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《Effect of solution treatment on the microstructure, phase transformation behaviour and functional properties of NiTiNb ternary shape memory alloys fabricated via laser powder bed fusion in-situ alloying》的研究論文。該團隊提出了一種“L-PBF原位合金化”與“後處理工藝”相結合的NiTiNb合金制備路線。以預合金NiTi和純Nb粉末為原材料，通過L-PBF技術制備近無缺陷的(NiTi)91Nb9 (at.%)合金。通過高溫固溶處理調節共晶相的形貌分布，提高合金的力學/功能特性。最終成功制備了兼具寬滞後特性與良好力學性能的NiTiNb合金（圖1）。此工藝路線也可适用于其它NiTi基三元形狀記憶合金的設計與制備。
關鍵詞
形狀記憶合金；NiTiNb；雷射粉末床熔融；原位合金化；熱處理
亮 點
- 驗證了雷射粉末床熔融技術原位制備NiTi-Nb合金的可行性；
- 高溫固溶處理可調控共晶相的形貌分布特征，提升NiTiNb合金的力學/功能特性；
- 制備了兼具寬滞後特性與良好拉伸力學性能NiTiNb合金。
圖1 雷射粉末床熔融制備(NiTi)91Nb9合金在固溶處理前後的顯微組織、相變特征及力學/功能特性。
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研究背景
近年來，國内外學者開展了L-PBF原位制備NiTi基形狀記憶合金的初步研究。通常采用預合金NiTi粉末與第三組元單質粉末混合的思路，包括NiTi+HfH2、NiTi+Fe、NiTi+Nb等。這種制備方法確定了主體NiTi相的形成，是以原位合成NiTi-X合金可表現出典型的相變行為與力學性能。然而，原位合金過程的固有缺陷，如微觀組織不均勻、未熔夾雜等，導緻合金的力學/功能特性較差。研究表明，通過後處理調節第二相（如Ni4Ti3，Ti2Ni）的分布可顯著改善L-PBF制備二進制NiTi合金的力學/功能特性。然而，作為一種僞二進制共晶系合金，NiTiNb合金的力學/功能特性主要受共晶相形貌、尺寸及分布的影響。受快速凝固特性與複雜熱曆史的影響，L-PBF制備共晶型合金（如Al-12Si，Al-5.7Ni）的共晶組織形态與正常制備合金有較大差異。基于此，本文系統地研究了固溶處理對L-PBF制備(NiTi)91Nb9 (at.%)合金顯微組織、相變行為及力學/功能特性的影響。
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最新進展
固溶處理對微觀組織的影響：作者首先通過掃描電子顯微鏡（SEM）、電子探針顯微分析儀（EPMA）及透射電子顯微鏡（TEM）等手段研究并揭示了微觀組織演化機制（圖2）。列印态(NiTi)91Nb9合金為多層級的異質微觀組織，包括微米級未熔Nb顆粒、亞微米級胞狀-枝晶組織、納米級富Nb析出相及NiTi(Nb)基體。經高溫固溶處理後，顯微組織逐漸由非平衡态向平衡态轉變，包括以下三個方面的影響：1）富Nb析出相從過飽和NiTi(Nb)基體中析出；2）NiTi/Nb共晶發生破碎與球化，從網狀形貌轉變為杆狀與球狀顆粒；3）随保溫時間延長，β-Nb相與富Nb析出相粗化。
圖2 L-PBF制備(NiTi)91Nb9合金的顯微組織及成分分布：（a）列印态合金；（b）在1273K固溶處理15分鐘；（c）在1273K固溶處理60分鐘；（d）在1273K固溶處理120分鐘。
固溶處理對相變行為的影響：作者采用差示掃描量熱法（DSC）表征了所制備NiTiNb合金的相變行為（圖3）。列印态(NiTi)91Nb9合金的馬氏體相變溫度較低，如Mp溫度約為171K。固溶處理後，相變溫度升高（Mp=245K），與鑄态Ni46Ti45Nb9合金相近。對比固溶前後NiTiNb合金的顯微組織特征，作者對相變溫度變化機制進行了分析。如圖4所示，相變溫度的升高歸因于微觀組織從非平衡态向平衡态的轉變，主要包括：（i）過飽和B2-NiTi相中Nb原子的排出，減弱了基體中的晶格畸變；（ii）β-Nb相中Ti的排出，導緻基體Ni/Ti比的降低。經20%的壓縮預變形後，固溶态(NiTi)91Nb9合金的相變滞後約為145 K，與傳統Ni47Ti44Nb9合金（130 K~170 K）相當。
圖3 L-PBF制備(NiTi)91Nb9合金的相變行為。
圖4 L-PBF制備(NiTi)91Nb9合金的相變行為變化機制示意圖：（a）馬氏體相變溫度随Nb含量的變化規律；（b）馬氏體相變溫度随保溫時間的變化規律。
固溶處理對力學/功能特性的影響：作者對L-PBF制備(NiTi)91Nb9合金的力學及功能特性進行了測試（圖5）。經過1273K-30min固溶後，(NiTi)91Nb9合金表現出良好的拉伸力學性能（斷裂強度約為781MPa，斷裂應變約為9.5%），優于目前有關L-PBF制備NiTiNb合金的公開報道結果。固溶處理後力學性能的提高主要歸因于NiTi/Nb網狀共晶轉變為杆狀和球狀顆粒。相比于網狀共晶，杆狀與球狀β-Nb具有更好的位錯存儲能力，更有利于保持基體的連續性。此外，所有試樣均表現出良好的拉伸形狀記憶效應，形狀回複率高于90%（預應變為5%）。
圖5 L-PBF制備(NiTi)91Nb9合金的力學及功能特性：（a-b）低溫拉伸性能；（c-d）形狀記憶效應。
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未來展望
本文針對NiTiNb三元形狀記憶合金的熔煉與加工難題，采用L-PBF原位合金化結合後處理的工藝路線制備了具有典型相變特性與良好力學性能的NiTiNb合金。将增材制造制備複雜形狀的優勢與原位冶金的潛力相結合，為NiTi基形狀記憶合金的控性控形一體化制備提供了一種新思路。此外，該工藝路線具有成分設計靈活、制備周期短等優勢，有望加速高性能NiTi基記憶合金的開發。
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作者簡介
王協彬
山東大學
王協彬，山東大學材料與科學工程學院教授。先後在山東大學獲學士學位，比利時魯汶大學（KU Leuven）獲博士學位。圍繞形狀記憶合金及其雷射增材制造方向，在相關領域發表學術論文40餘篇，其中第一作者/獨立通訊作者論文23篇，包括《Acta Materialia》、《Additive Manufacturing》（2篇）、《Journal of Materials Science & Technology》、《Scripta Materialia》（7篇）等；申請國家發明專利13項，授權7項；參與制定國家标準1項，主持/參與制定團體标準3項；擔任International Journal of Extreme Manufacturing、Materials Research Letters、材料工程等雜志青年編委，以及國家自然科學基金、瑞士自然科學基金等通訊評議專家；入選山東省泰山學者青年專家，并獲山東省優秀青年基金資助；獲2021年中國機械工業科學技術進步獎三等獎1項（排2）。
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關于期刊
International Journal of Extreme Manufacturing (中文《極端制造》），簡稱IJEM，緻力于發表極端制造領域相關的高品質最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20餘個國際資料庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。
來自：IJEM
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