NiTiNb形状记忆合金多机制协同优化：机械与功能性能的微观结构调控及航空航天应用

为解决NiTiNb形状记忆合金在航空航天领域应用中机械强度与功能稳定性不足的问题，研究人员通过设计30%、65%、80%三种轧制变形量，系统研究了晶粒尺寸、位错密度、β-Nb相分布及变形织构对性能的协同调控机制。结果表明，80%轧制变形使合金相变滞后温宽、力学性能与形状记忆效应提升超20%，其优异性能源于β-Nb相弹性应变弛豫、晶粒细化及织构演化的多机制协同作用，为高性能航空液压管接头开发提供科学依据。

　　

在航空航天领域，液压管道连接件需要兼具高尺寸精度、耐压性及复杂结构适配能力，传统焊接工艺难以满足需求。NiTiNb形状记忆合金因其独特的宽热滞效应（thermal hysteresis）成为理想材料，但现有研究多聚焦单一性能调控，对微观机制协同作用认识不足。尤其在高强度服役条件下，合金的机械性能（如屈服强度）与功能稳定性（如形状恢复率）常相互制约，制约了其工程应用。

针对这一瓶颈，中国研究人员以Ni₄₇
Ti₄₄
Nb₉
合金为对象，通过850℃下30%、65%、80%三组轧制变形实验，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等技术，系统解析了晶粒细化、位错增殖、β-Nb相球化及织构演化对性能的协同调控规律。研究发现，80%变形量使合金相变滞后温宽从铸态的20℃显著提升至40℃以上，屈服强度增幅超50%，形状记忆效应提升近20%。这种突破性性能提升源于多机制耦合：β-Nb相通过弹性应变弛豫降低马氏体逆相变驱动力，提升马氏体稳定性；轧制引入的高位错密度与晶界强化共同提升力学性能；而〈111〉织构密度降低与β-Nb球化则协同优化了形状恢复效率。

关键技术方法
研究采用真空感应熔炼制备NiTiNb铸锭，经850℃热轧获得不同变形量（30%/65%/80%）样品。通过XRD分析相组成，SEM/EBSD表征晶粒尺寸与织构，透射电镜（TEM）观测位错与β-Nb相分布，差示扫描量热法（DSC）测定相变温度，结合力学性能测试与形状恢复率评估建立结构-性能关联。

研究结果

1. 相组成：XRD证实所有样品均为NiTi基体+β-Nb沉淀相，轧制未改变相组成但引起衍射峰宽化，表明晶粒细化与微观应变增加。
2. 微观结构演化：80%变形使平均晶粒尺寸从铸态50μm降至2μm，位错密度提升两个数量级；β-Nb相从连续网状破碎为球状颗粒，尺寸从5μm减小至200nm。
3. 性能提升：80%变形样品屈服强度达1200MPa，较铸态提升58%；形状恢复率从70%增至85%，相变滞后温宽扩展至42℃。

结论与意义
该研究首次揭示了NiTiNb合金中β-Nb相弹性应变弛豫、高位错密度强化与织构调控的三重协同机制，突破了传统单一性能优化策略的局限。其成果为航空航天用高性能管接头设计提供了微观结构调控的理论依据，尤其通过80%轧制变形实现了强度与功能稳定性的同步提升。未来研究可进一步探索变形温度-织构类型-性能的定量关系，推动形状记忆合金在极端环境下的工程应用。论文发表于《Materials Characterization》，通讯作者Jianhui Li强调，这种多尺度协同优化策略可拓展至其他金属功能材料体系。