NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10^(−3)s^(−1)应变率下准静态压缩与拉伸、10^(5)s^(−1)应变率下准等熵压缩及10^(7)s^(−1)应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s^(−1)升高至10^(7) s^(−1),相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10^(7) s^(−1)应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。

Ag_(2)O-NiTi-LDH复合材料的构建及其光催化氧化乙硫醇性能研究

本文将氧化银(Ag_(2)O)负载到镍-钛层状双金属氢氧化物(NiTi-LDH)上以构建Ag_(2)O-NiTi-LDH复合材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis、电化学工作站和FT-IR等技术对样品进行表征。采用静态吸附-光催化的方法对乙硫醇进行吸附氧化降解。结果表明:复合材料中Ag_(2)O和NiTi-LDH之间存在相互作用,使得Ag_(2)O-NiTi-LDH复合材料比单一基体材料的带隙能小,光生电子-空穴的分离和迁移效率高;在光催化实验中,单一的基体材料NiTi-LDH对乙硫醇的光催化效果不明显,Ag_(2)O和Ag_(2)O-NiTi-LDH虽然都能将乙硫醇光催化氧化成硫酸盐,但Ag_(2)O-NiTi-LDH复合材料光催化氧化降解效率高于Ag_(2)O。

纳米晶NiTi形状记忆合金/Nb纳米线复合材料超弹应力的温度依赖性

NiTi形状记忆合金因其超弹性已经得到广泛应用,然而传统NiTi合金马氏体相变的超弹应力随温度的降低而快速减小(6~7 MPa/K),显著制约了其在宽温域中的应用。本文通过熔炼、锻造及拔丝获得纳米晶NiTi/Nb丝材,然后采用透射电子显微镜、差示扫描量热仪及拉伸试验机分别研究丝材的显微组织、相变行为及超弹性能。结果表明:纳米晶NiTi/Nb丝材中NiTi合金的平均晶粒尺寸为14 nm,丝材在降温和升温过程中分别发生热诱发B2→R相变和R→B2相变。在328~376 K温度范围内,纳米晶NiTi/Nb丝材应力诱发B2→B19′相变超弹应力的平均值为1002 MPa,超弹应力的温度依赖性为4.1 MPa/K。

选区激光熔化成形NiTi合金工艺参数对表面粗糙度的影响规律

目的针对选区激光熔化(SLM)制备NiTi形状记忆合金表面粗糙度难以满足实际应用要求,通过优化工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距)以有效地降低表面粗糙度以及研究各工艺参数对表面粗糙度的影响规律。方法采用L16正交阵列的田口模型设计选区激光熔化制备NiTi样品的工艺参数,通过对表面粗糙度信噪比值进行统计方法分析以及样品表面形貌的表征,研究不同工艺参数对表面粗糙度的影响程度以及影响机理,最终优化出制备低表面粗糙度的工艺参数组合。结果在激光功率为20 W和30 W时,NiTi粉末不能够充分熔化造成熔道不连续,使得样品表面起伏增大,粗糙度值最大到7.8μm;增大激光功率到40W和50W时,粉末充分熔化,样品表面形貌明显改善;在相同功率下,扫描速度从200mm/s增加到500mm/s时,样品的粗糙度值也随之增大。结论工艺参数对表面粗糙度影响的重要性顺序依次为激光功率、扫描速度、扫描间距;最终优化出的工艺参数组合为激光功率50W、扫描速度200mm/s、扫描间距0.07mm,并在该工艺参数下制备的样品表面粗糙度值为1.38μm,与模型预测的值1.43μm接近,相差仅为9.97%。

NiTi^(+)催化甲基环己烷脱氢的密度泛函理论研究

有机液体储氢是极具潜力的氢气存储方式,在原子水平上研究储-释氢催化机理,是寻找高效低廉催化剂的重要途径.采用密度泛函理论(DFT)方法研究了甲基环己烷(MCH)在过渡金属二聚体离子NiTi^(+)催化下逐步脱氢制甲苯的反应机理,考察了反应物、中间体和生成物的能量变化.采用波函数分析方法,观察反应过程中原子电荷变化,并分析了初始化合物的态密度(DOS)等性质.结果表明:NiTi^(+)与甲基环己烷的反应是在混合势能面上进行的放热反应,三个脱氢分子机理相似,反应整体放热为-12.19 kcal·mol^(-1),反应过程出现了中间体甲基环己烯和甲基环己二烯,与实验结果一致.整个反应的速率决定步骤为第三个脱氢反应过程中的IM10→TS10.

高频感应熔覆NiTiFe合金涂层摩擦学性能研究

为增强金属材料表面的耐磨性能,采用高频感应熔覆技术,在HT300基底表面制备出NiTiFe合金涂层;利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计和X射线衍射仪(XRD)对NiTiFe合金涂层的微观组织、元素组成、硬度、相组成和与基底的结合情况进行表征与分析;通过摩擦磨损试验机对涂层的摩擦学性能进行测试,对其摩擦磨损机制进行分析。结果表明:涂层组织致密,无裂缝和空隙,成型质量良好,平均厚度达到0.7 mm,与HT300基底实现了冶金结合;涂层中主要包含Fe2Ti、Fe6.94Ti0.36和Ni3Fe三种相,Fe元素的加入使涂层的晶格发生畸变,硬度提高,平均硬度达到997.36HV,约为HT300基底平均硬度值的5倍。通过摩擦磨损试验发现,试验前期,NiTiFe合金涂层与对摩副之间的摩擦因数较低,维持在0.2左右,对摩副的失效导致摩擦副之间的接触形式发生改变,摩擦因数产生阶跃;随着载荷的增加,涂层上呈现的磨痕宽度在不断增加,对摩副由于磨损造成的材料去除后暴露出的面积也在不断增大。摩擦磨损试验后,NiTiFe合金涂层摩擦表面光滑平整,仅出现了轻微的磨粒磨损,磨损体积远小于对摩副,表现出优良的耐摩擦磨损性能。

NiTi形状记忆合金中的氢效应研究进展

NiTi形状记忆合金应用于牙齿正畸弓丝、心血管支架、流体阀门等场景时受应力与化学腐蚀的双重作用,导致合金出现一定程度的氢脆并影响构件的可靠性与安全性。本文围绕NiTi合金中的氢效应问题,综述氢在NiTi合金中的占位、存在状态与扩散行为。总结NiTi合金中氢的含量、状态、分布和扩散系数的表征方法,介绍氢对NiTi合金马氏体相变、阻尼行为的影响,重点讨论NiTi合金的氢脆行为、氢脆影响因素及氢脆机制,并总结用于避免或延迟NiTi合金氢脆发生的措施与方法。最后,提出氢在NiTi合金各相中的扩散行为研究、氢分布的可视化表征以及氢-马氏体相变相互作用等研究方向,以期为NiTi形状记忆合金的研究人员提供有益参考。

激光选区熔化技术制备NiTi合金的研究进展与应用

NiTi合金作为一种典型的形状记忆合金,除了具有独特的形状记忆效应,还拥有优异的超弹性、生物相容性和力学性能,广泛应用于医学、机械、微电子等领域。然而,由于该合金延展性过高、加工硬化、低热导等问题,传统的切削方法加工工艺复杂、成本高,限制了其工程化应用。增材制造技术(Additive manufacturing, AM)又称3D打印技术,以其独特的一体化成形的技术优势,有效地改善了传统加工方法存在的问题。对此,国内外学者对激光选区熔化(SLM) 3D打印镍钛合金成形工艺进行了大量研究,并取得了丰硕成果。综述了近年来选区激光熔化镍钛的研究进展,简述了选区激光熔化和热处理工艺与镍钛合金的相变温度、组织结构、力学性能等映射关系,着重分析了SLM工艺参数对镍钛合金超弹性的影响规律,揭示了其影响机制,介绍了激光选区熔化镍钛合金的在医学领域的应用,并对未来NiTi合金的增材制造技术的发展提出了展望。

基于NiTi温敏形状记忆纳米结构调控的润湿性研究

NiTi合金是常见的形状记忆合金,有着良好的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性和生物相容性,在生物医疗、航空航天和微机电等领域有着广泛的应用。目的研究NiTi合金表面不同纳米级结构的润湿性能,改善NiTi合金在工作环境下的磨损情况,提高NiTi合金的使用寿命。方法使用分子动力学方法模拟周期性边界条件下NiTi合金的形状记忆效应,研究在不同温度下NiTi合金原子的微观结构演化;同时基于NiTi合金温度响应下不同的微观结构,建立液滴静态接触角仿真,研究NiTi合金表面在不同微观结构下的润湿性能。结果发现NiTi合金在不同温度响应下发生相变,从而使NiTi合金的表面原子排列发生改变,展示了温度诱发NiTi合金的相变和逆相变行为以及在原子尺度下的微观结构演化,再以不同温度响应下发生相变和逆相变的NiTi合金表面作为基底,发现其表面的润湿性也发生了改变和恢复。结论NiTi合金随温度响应发生相变,微观结构发生改变,其表面的润湿性能也发生改变;而且NiTi合金随温度逆相变,微观结构恢复到初始状态,其表面润湿性也能随之恢复到初始状态;NiTi合金在相变过程中的奥氏体和马氏体含量会影响NiTi合金表面润湿性能,因此能够通过温度进行NiTi合金表面在微观结构下润湿性的自适应调控。

电化学抛光工艺参数对医用NiTi合金表面粗糙度的影响

为了获得优质表面质量的医用NiTi合金,探究了电流密度,抛光温度,极间距以及抛光时间对合金表面粗糙度的影响,试验结果表明,电流密度较小时试样表面残存较深的划痕,适当增大电流密度,表面粗糙度明显下降。电流密度过大时,发生过度腐蚀。随着抛光温度的升高,合金表面质量先降低后升高。极间距较小,使抛光液温度上升,出现过腐蚀坑,极间距离过大时,电流密度降低,抛光效果变差。抛光时间较短时,合金表面存在未完全抛光的划痕,当适当延长抛光时间,获得了光洁的表面,继续增加抛光时间合金表面出现过腐蚀坑,表面质量下降。

NiTi合金激光熔凝处理及其生物腐蚀性能研究

目的通过对NiTi合金表面进行激光熔凝处理,从而提高Ni Ti合金的耐腐蚀性能。方法利用紫外激光器对NiTi合金进行表面熔凝处理,借助扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线衍射仪(XRD)等技术手段,研究了激光熔凝处理前后Ni Ti合金的表面显微组织、成分和相结构。测试了激光熔凝处理前后NiTi合金表面与模拟体液(SBF)的接触角、熔凝层的显微硬度等表面性能。通过全浸腐蚀试验和电化学测试,研究了熔凝层在SBF溶液中的生物腐蚀性能,并分析了腐蚀机理。结果NiTi合金经过激光熔凝处理后,在合金的表层形成了厚度为90~150μm的熔凝层,熔凝层主要由TiO_(2)、β相以及少量的Ti O相组成。合金表面的平均显微硬度提高了153~279HV,合金的表面接触角增大,由亲水性转为疏水性。相较于未处理的样品,熔凝处理后的样品在SBF溶液中的腐蚀电位分别正移了435 mV和413 mV,腐蚀电流密度分别下降了83%、62%左右。熔凝处理后的样品在SBF溶液浸泡168 h后,SBF溶液中的Ni2+浓度下降了约1/3。结论以适当的激光加工参数对NiTi合金进行激光熔凝处理,可在NiTi合金表面形成致密的氧化膜,这层氧化膜和熔凝层可以有效地抑制NiTi合金在SBF溶液中的点腐蚀行为。

Ni含量对激光粉末床熔融成形NiTi形状记忆合金显微组织和力学性能的影响

激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)成形NiTi合金由于Ni元素的蒸发导致成分偏离粉末设计成分,而NiTi合金的形状记忆效应、超弹性等性能受Ni含量影响极大。因此有必要对不同Ni含量NiTi合金的LPBF成形性、显微组织以及力学性能开展研究。采用真空电极感应熔炼气雾化技术制备了Ni_(50.8)Ti、Ni_(51.0)Ti以及Ni_(51.5)Ti(原子分数,%)3种预合金粉末,研究其在不同工艺参数下的冶金缺陷、显微组织及力学性能的演化规律。结果表明,高Ni含量NiTi合金在LPBF成形过程中容易产生垂直于建造方向的裂纹,成形性较低Ni含量NiTi合金差。Ni_(51.5)Ti合金室温下的临界应力可达476 MPa,但断裂伸长率仅为2%;Ni_(50.8)Ti合金临界应力仅为122 MPa,断裂伸长率可达8%。

钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与力学性能的影响

采用AuSi共晶钎料成功实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的连接.使用扫描电子显微镜和能谱仪等分析测试手段对不同钎焊温度下获得的接头界面组织进行了分析.结果表明,316L/AuSi/NiTi接头典型界面微观组织为316L/(Fe,Cr)_(5)Si_(3)/Au(s,s)+Ti_(14)Ni_(49)Si_(37)(+Si)/Ni_(4)Si_(7)Ti_(4)+NiSiTi/NiTi.随着钎焊温度的升高,316L不锈钢侧(Fe,Cr)_(5)Si_(3)层逐渐形成并变厚,NiTi合金侧的NiSiTi层先增厚后减薄,钎缝中的硅含量逐渐减少.剪切试验表明,当钎焊温度为600℃、保温时间为30 min时,钎焊接头的抗剪强度最高为34 MPa.接头的断裂路径分析表明,接头沿钎缝中的固溶体发生断裂.创新点:(1)采用AuSi共晶钎料在低温下实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的钎焊连接.(2)探究了钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与抗剪强度的影响规律.

NiTi-Cu异种材料激光微连接机理及元素分布

为实现NiTi形状记忆合金电致热驱动的功能特性,采用激光微连接技术对NiTi丝和铜板异种材料进行焊接,并利用光学显微镜、能谱分析仪等手段分析连接界面的微观结构和元素分布.基于ANSYS Fluent软件建立NiTi-Cu异种材料激光微连接三维计算流体力学仿真模型,分析了NiTi-Cu激光微连接过程中的温度场、流场演变和元素传输规律.结果表明,NiTi-Cu激光微连接过程主要分为激光在NiTi丝中的“钻孔”过程、对铜板的预热过程和在铜板中的“钻孔”过程.Ni,Ti,Cu元素混合主要发生于激光对铜板的“钻孔”过程中,元素在金属蒸气反冲压力和Marangoni涡流的驱动下相互混合,Cu元素进入熔池易形成低硬度的Cu-Ti金属间化合物,降低了脆性的NiTi金属间化合物形成的可能性.试验和仿真结果吻合较好,为优化NiTi-Cu异种材料的激光微连接工艺提供了重要的理论支撑.

NiTi基形状记忆合金驱动器的研究进展

NiTi基形状记忆合金(SMA)驱动器存在驱动频率低、能耗高及控制精度不高的问题。综述了NiTi基SMA驱动器、一维宏观本构模型的研究进展,并提出了驱动器研究优化的方向,即异质多段型SMA驱动器的结构和制备工艺研究、传热状态的多参数宏观模型仿真及控制技术研究。

工艺参数对SLM成形NiTi合金致密度与裂纹缺陷的影响

文章通过全因素试验探究了激光选区熔化技术(SLM)中激光功率和扫描速度对NiTi合金试样致密度及裂纹缺陷的影响规律,通过体能量密度综合评判了工艺参数对成形质量的影响。结果表明,随着体能量密度增大,致密度呈先增后减的趋势,试样表面出现由微观裂纹缺陷到无缺陷再到宏观裂纹缺陷的变化。当体能量密度处于75 J/mm^(3)至95 J/mm^(3)之间时,致密度维持在99.7%以上;随着激光功率的增大或扫描速度减小,试样致密度整体呈先增后减趋势;通过探究体能量密度相同时激光功率和扫描速度对样件成形质量的影响,发现激光功率大于等于270 W、扫描速度大于等于900 mm/s或激光功率小于等于90 W、扫描速度小于等于300 mm/s时,试样致密度均低于99.5%,出现匙孔和微裂纹;激光功率为180 W,扫描速度为600 mm/s时致密度则高于99.5%,无明显缺陷。

钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与力学性能的影响

采用AuSi共晶钎料成功实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的连接。使用扫描电子显微镜和能谱仪等分析测试手段对不同钎焊温度下获得的接头界面组织进行了分析。结果表明,316L/AuSi/NiTi接头典型界面微观组织为316L/(Fe,Cr)_(5)Si_(3)/Au(s,s)+Ti_(14)Ni_(49)Si_(37)(+Si)/Ni_(4)Si_(7)Ti^(4)+NiSiTi/NiTi。随着钎焊温度的升高,316L不锈钢侧(Fe,Cr)_(5)Si_(3)层逐渐形成并变厚,NiTi合金侧的NiSiTi层先增厚后减薄,钎缝中的硅含量逐渐减少。剪切试验表明,当钎焊温度为600℃、保温时间为30 min时,钎焊接头的抗剪强度最高为34 MPa。接头的断裂路径分析表明,接头沿钎缝中的固溶体发生断裂。

纳米晶NiTi形状记忆合金在生物医用中的应用展望

传统的NiTi合金具有超弹性、形状记忆效应及优异的生物相容性在众多领域都有广泛应用,例如:在生物医用领域被制备成口腔正畸弓丝和血管支架。但生物医用器材需要精密化及小型化,传统NiTi合金已经跟不上发展,经过严重塑性变形的纳米晶NiTi合金比传统的粗晶和超细晶NiTi合金拥有更好的拉伸、抗压强度、塑性和疲劳性能等性能。有望扩大在生物医用领域的应用范围。纳米晶NiTi合金可以用于新型医疗器械制造和骨科生物材料,与Ag组合成NiTiAg三元合金不仅力学性能优异,还附带抗菌效果;与W纳米线/带复合形成W-NiTi复合材料提高辐射不透明度,使器械和植入物在人体内的定位和部署更加简单。近年来,还有一种新型表面改性技术:超声波纳米晶表面改性,在NiTi合金表面产生纳米结晶以改善疲劳和耐腐蚀性能等。主要介绍现有的NiTi合金的应用以及纳米晶NiTi合金在生物医用领域的应用展望。

NiTi形状记忆合金在恒定应力和温度下保温过程中马氏体相变诱发的可恢复应变

研究NiTi形状记忆合金在应力下等温保温过程中的应变变化。为了研究可恢复应变,对Ni_(51)Ti_(49)和Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金进行3种制度的保温处理,分别是:应力下冷却后在应力下保温(制度1);无应力和载荷下冷却后在应力下保温(制度2);具有双向形状记忆效应的样品在应力下保温(制度3)。结果表明,所有制度中,在应力下保温后样品均会发生应变变化。该应变在后续热处理或卸载后能恢复,因此表明应变变化是由等温马氏体相变引起的。这种等温应变取决于合金的化学成分、等温保温制度、应力和保温温度。Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金(制度1)和Ni_(51)Ti_(49)合金(制度2)的最大等温应变分别为3.4%和6.1%。制度3中的保温伴随着较小的应变(小于0.3%)。讨论储存弹性能对等温马氏体相变的影响,结果表明,当相变伴随着较小的储存弹性能时,等温应变较大。