冷喷涂在S355J0结构钢上的304L不锈钢的微观结构演变及其力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and mechanical properties of cold sprayed stainless steel SS304L on structural steel S355J0

TiB?层状结构抑制Ti?Ni脆性相形成提升NiTi合金超弹性与强度-延展性平衡。

　　NiTi合金因其独特的功能特性、耐腐蚀性和生物相容性，被广泛应用于航空航天、医疗设备等多个领域。然而，其性能不仅取决于基体相的特性，还与第二相的形成密切相关。特别是在合金凝固过程中，脆性的Ti?Ni相的出现往往导致裂纹的产生和材料的过早失效。因此，如何有效控制Ti?Ni相的形成，提升合金的综合性能，成为研究的重点。

在本研究中，科学家们探索了通过引入硼（B）元素来改善NiTi合金性能的策略。实验发现，当添加0.2 wt.%的B元素时，能够在合金中实现TiB?的原位形成，并构建出一种特殊的“三明治”结构，即TiB?-NiTi-TiB?层状结构。这种结构不仅能够显著抑制后续晶界处Ti?Ni颗粒的生成和生长，还通过半共格界面的形成，增强了合金的强度，使其在弹性变形阶段能够承受更大的应力。此外，该界面结构还促进了反向马氏体转变的连续性，从而缓解局部应力集中，优化了合金的超弹性性能，同时保持了良好的延展性。

然而，研究也指出，过量的B元素（如0.5 wt.%）会导致块状TiB?的形成，反而加剧了应力集中问题。这表明，B元素的添加量需要精确控制，以实现TiB?与Ti?Ni之间的理想耦合。通过这种控制，可以有效提升NiTi合金在强度、延展性和超弹性方面的综合性能。这一发现为NiTi合金的第二相工程提供了新的思路，即通过调控第二相的形态和分布，实现材料性能的协同增强。

研究还揭示了TiB?与NiTi基体之间的界面相互作用机制。在高倍率透射电镜（TEM）分析中，研究人员观察到TiB?与基体之间形成了紧密的结合界面，这种界面通过堆垛层错（stacking faults）实现半共格连接。高分辨率透射电镜（HRTEM）图像进一步显示了TiB?与NiTi之间的晶体学取向关系，即（010）NiTi与（001）TiB?之间存在3.3°的取向不匹配，这种结构特征有助于增强界面的强度，从而提升整体材料的力学性能。

此外，研究团队通过调整B的浓度，探讨了不同形态的TiB?对Ti?Ni相形成的影响。结果显示，当B含量适当时，TiB?的层状结构能够有效分散应力，促进材料在变形过程中的协调塑性变形。这不仅提升了合金的抗变形能力，还通过减少晶界处的Ti富集，抑制了Ti?Ni相的析出。这一机制为解决传统NiTi合金中因Ti?Ni相而引发的性能问题提供了理论依据和技术路径。

在实际应用中，NiTi合金的性能优化对于提升其在高端制造和生物医学领域的适用性至关重要。通过本研究的方法，可以在不牺牲延展性的情况下显著提高合金的强度，这为开发高性能的NiTi合金线材提供了新的方向。例如，在航空航天领域，高强度和良好延展性的合金线材可以用于制造更轻、更耐用的结构部件；在医疗设备中，这种材料可以用于制造具有优异超弹性和生物相容性的支架和植入物。

值得注意的是，虽然B的添加能够有效改善NiTi合金的性能，但其作用机制仍需进一步研究。例如，B元素如何与Ti原子相互作用，从而影响TiB?的形貌和分布，以及这种相互作用如何在不同温度和冷却速率下发生变化，都是未来研究的重要方向。同时，研究团队还发现，B的引入可能对合金的热处理工艺产生影响，例如在高温固溶处理过程中，B的分布和迁移行为可能会影响最终材料的微观结构和性能。

本研究的实验方法采用了高纯度的Ti棒、Ni颗粒和B粉末作为原材料，按照Ni??.?Ti??.?的原子比进行配比，并分别添加了0.1 wt.%、0.2 wt.%和0.5 wt.%的B元素。通过精确控制B的含量，研究人员能够观察到不同浓度下TiB?的形成行为及其对Ti?Ni相的影响。实验结果表明，0.2 wt.%的B添加量能够实现最佳的性能提升，而0.5 wt.%的添加则会导致不利的块状TiB?形成，从而降低材料的整体性能。

从材料科学的角度来看，这一研究不仅拓展了第二相工程的应用范围，还为开发新型高性能合金提供了理论支持和实践指导。通过调控第二相的形态和分布，可以实现对材料性能的精确控制，这在工程材料的设计和制造中具有重要意义。未来，研究团队计划进一步探索不同元素的协同作用，以及如何通过多元素调控实现更复杂的微观结构设计，从而进一步提升NiTi合金的综合性能。

总之，这项研究通过引入硼元素，成功构建了TiB?-NiTi-TiB?的“三明治”结构，有效抑制了Ti?Ni相的形成，提升了NiTi合金的强度和超弹性性能。这一成果不仅为解决传统NiTi合金的性能瓶颈提供了新思路，也为未来的材料设计和应用开辟了新的研究方向。