镍锰镓硼铈高温形状记忆微丝在803K下实现9.2%超大超弹性突破

为解决航空航天等领域对高温形状记忆合金(HTSMAs)的性能需求，研究人员通过Taylor-Ulitovsky法制备了具有寡晶结构的Ni-Mn-Ga-B-Ce微丝，在803K下获得9.2%的可恢复应变，创下目前报道的最高超弹性温度记录。该材料因面心立方(FCC)沉淀相与半共格界面的协同作用，展现出623-803K的优异超弹性及673K下601次循环的稳定性，为高温驱动与传感提供了低成本解决方案。

　　

随着航空航天、能源勘探等领域的快速发展，对能在极端环境下工作的智能材料需求日益迫切。高温形状记忆合金(HTSMAs)作为固态驱动器(actuator)和超弹性组件的核心材料，其性能直接决定了设备在高温工况下的可靠性。然而，现有HTSMAs普遍存在超弹性温度上限低(<500K)、循环稳定性差等问题，严重制约了其在喷气发动机叶片调节、深井勘探机器人等场景的应用。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地设计了Ni-Mn-Ga-B-Ce五元合金体系，采用经典的Taylor-Ulitovsky熔体拉丝技术成功制备出具有寡晶结构(oligocrystalline structure)的微丝材料。这项发表在《Scripta Materialia》的研究成果显示，该微丝在803K高温下仍能保持9.2%的超弹性恢复应变，刷新了块体材料在拉伸模式下的最高工作温度记录。更引人注目的是，材料在673K经过601次加卸载循环后性能无衰减，展现出罕见的温度-疲劳协同抗性。

研究团队运用了三大关键技术：通过定向凝固控制微丝晶粒取向，利用硼/铈复合掺杂细化晶界，结合透射电镜(TEM)和同步辐射X射线衍射分析相变行为。特别值得注意的是，所有试样均来自同一批次熔炼的合金锭，确保了数据可比性。

【研究结果】

1. 微观结构特征：
   发现面心立方(FCC)结构沉淀相与NM马氏体基体形成半共格界面(semi-coherent interface)，高分辨电镜显示界面错配度<3%。这种特殊结构有效抑制了高温下位错增殖，为超弹性提供稳定性保障。

2. 超弹性温度窗口：
   差示扫描量热法(DSC)证实相变温度区间拓宽至623-803K，其中803K下9.2%的应变恢复率远超传统NiTi基合金(通常<5%)。原位X射线衍射捕捉到应力诱导的马氏体再取向过程。

3. 循环稳定性机制：
   寡晶结构使晶界密度降低两个数量级，有限元模拟显示应力集中系数较多晶材料下降76%。601次循环后残余应变仅增加0.3%，断裂表面呈现典型的韧窝形貌。

【结论与意义】
该研究通过多组元合金设计和微观结构调控，首次实现了镍锰镓基材料在800K级温度区的实用化超弹性。FCC沉淀相与半共格界面的"钉扎效应"、寡晶结构的协同作用，共同解决了高温相变不可逆的难题。相较于需要单晶制备的竞品材料，Taylor-Ulitovsky法的规模化生产优势使成本降低约90%。这项突破不仅为开发新一代高温驱动器开辟了道路，其揭示的"沉淀相-界面-晶界"多尺度调控策略，对开发其他极端环境功能材料具有重要借鉴意义。