新型Ni-48.5Ti-45.5Hf-3Ta高温形状记忆合金：微观结构与相变

《Journal of Alloys and Compounds》：Novel Ni 48.5Ti 45.5Hf 3Ta 3 high temperature shape memory alloy: microstructure and phase transformation

本文开发了Ni48.5Ti45.5Hf3Ta3新型高温形状记忆合金，通过真空熔炼与热加工优化微观结构，证实其具有优异的高温相变温度（Ms=81°C, Af=140°C）、100%形状恢复率和良好的力学性能（抗拉强度900MPa）。微观分析显示β-Ta和(Ti,Hf)?Ni析出相与基体完全共格，应力-温度协同作用显著提升热稳定性与疲劳寿命。

　　近年来，形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）因其独特的热机械性能在多个工业领域中得到了广泛应用。从航空航天到生物医学，再到汽车制造和土木工程，这些材料凭借其优异的形状记忆效应、超弹性以及良好的阻尼能力，成为研究和应用的热点。其中，镍钛（NiTi）合金因其出色的生物相容性和机械性能，尤其在高温应用中展现出巨大潜力。然而，传统的NiTi二元合金通常受限于较低的相变温度（Transformation Temperatures, TTs），使其在高温环境下的应用受到一定制约。为了克服这一限制，研究者们尝试通过引入其他元素，如金（Au）、钯（Pd）、铪（Hf）、铂（Pt）或锆（Zr），来提升NiTi合金的相变温度，从而开发出适用于高温环境的形状记忆合金（High-Temperature Shape Memory Alloys, HTSMAs）。

尽管某些添加元素如Pd和Ta能够显著提升合金的强度和性能，但它们的高成本使得这些合金在实际应用中面临经济性挑战。同时，部分含Hf和Ta的合金虽然具备较高的相变温度，但其热稳定性较差，难以满足实际工程需求。因此，研究者们开始探索如何在不牺牲性能的前提下，通过优化合金成分来降低昂贵元素的含量，从而实现更经济、更稳定的HTSMAs。这一研究方向逐渐成为材料科学领域的前沿课题。

在本研究中，科学家们设计了一种新的HTSMA，其成分为Ni_48.5Ti_45.5Hf₃Ta₃。该合金不仅具有优异的形状记忆性能，还表现出良好的热稳定性和室温下的可加工性。为了评估其性能，研究人员采用了多种实验手段，包括光学显微镜（Optical Microscopy, OM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）以及透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）。这些技术用于分析合金的微观结构和相组成，揭示了其在不同热处理过程中的演变规律。

研究发现，在铸造状态下，该合金的微观结构中存在两种不同的析出相：富含钽的固溶体（β-Ta）和（Ti, Hf）₂Ni。这些析出相均匀分布在晶界附近，但在均质化处理后，它们的形态转变为分散且球状的结构，同时呈现出一定的方向性。这种结构变化对于合金的性能提升具有重要意义，因为它能够影响材料的力学行为和热响应特性。此外，研究人员还观察到该合金中存在I型孪晶，而β-Ta析出相与基体之间表现出一定的共格性。这种共格性有助于减少界面应力，从而提升合金的稳定性。

在热分析方面，研究人员通过热膨胀仪（Dilatometer）和热循环实验，评估了该合金在不同应力条件下的热行为和功能疲劳特性。实验结果显示，随着热循环次数的增加，合金的相变温度呈现逐渐下降的趋势，这是由于析出相与基体之间的位错密度增加所导致的。值得注意的是，在零应力条件下，热滞后现象（thermal hysteresis）较为显著，而施加200 MPa和300 MPa应力后，热滞后逐渐趋于稳定。这一现象表明，外部应力有助于提高合金的热稳定性，减少相变过程中的能量损失。

在形状恢复测试中，研究人员采用弯曲方法评估了该合金的形状记忆效应。实验表明，该合金在10次循环测试中均能实现100%的形状恢复率，显示出良好的循环稳定性。此外，合金在加热至160°C后能够完全恢复其原始形态，证明了其在高温环境下的优异性能。这些结果不仅验证了该合金的形状记忆能力，还为未来在高温应用领域的使用提供了理论支持。

研究还发现，该合金在热循环过程中表现出独特的微观结构变化。在初始循环阶段，由于析出相与基体之间的应力场，导致了位错的快速生成和累积。随着循环次数的增加，位错密度逐渐趋于饱和，从而抑制了相变温度的进一步下降。同时，这些位错能够通过与相变界面的相互作用，提高合金的稳定性。此外，热循环过程中还观察到了一些变形孪晶的形成，这些孪晶可能是由于材料内部的高应力和应变引起的。

从材料设计的角度来看，该合金的低含量Hf和Ta使其在成本控制方面具有优势，同时又不失性能。通过优化电子浓度和原子比，该合金实现了较高的相变温度，同时保持了良好的加工性能。这表明，合理控制合金成分和热处理工艺，是提升HTSMAs性能的关键因素之一。

进一步的讨论表明，该合金的热滞后和相变温度的变化与其微观结构密切相关。在热循环过程中，析出相的形态和分布对材料的性能有重要影响。此外，外部应力能够显著改变材料的相变行为，提高其热稳定性。这些发现不仅有助于理解HTSMAs的工作机制，也为未来开发更高效、更经济的形状记忆合金提供了理论依据。

综上所述，Ni_48.5Ti_45.5Hf₃Ta₃合金在高温应用中展现出优异的性能。其高相变温度、良好的形状恢复能力和稳定的热滞后特性，使其在航空航天、生物医学等高温环境中具有广阔的应用前景。同时，该合金的低成本特性也为其商业化提供了可能性。未来的研究可以进一步探讨如何通过微结构调控和热处理优化，提高该合金的性能和应用范围，为形状记忆合金技术的发展做出更大贡献。