动态与变形后静态时效集成的TiNi形状记忆合金热机械加工方法

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Dynamic and Post-Deformation Static Aging as an Integrated Approach to Thermomechanical Processing of TiNi Shape Memory Alloys

　　

研究人员探究了热机械加工（TMP）参数对富镍Ti–50.8 at.% Ni形状记忆合金（SMA）结构-相态演化与性能的影响。压缩变形在T = 300–500 °C下进行，伴随动态时效（DA）过程发展，真应变ε达0.5–1.3，随后在430 °C进行1 h和10 h的变形后静态时效（SA）。采用光学显微镜、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）及维氏硬度测试表征结构-相态与性能。结果证实压缩过程中DA被激活，但相较SA，其不足以促使Ti3Ni4析出相显著长大；430–500 °C温区促进最强烈DA过程并利于超细晶组织形成；500 °C DA联合短时（1 h）SA工艺获得最细小Ti3Ni4析出相与最均匀亚结构。上述发现表明所提TMP策略可有效调控析出相弥散度、相变温度演化及力学性能（硬度），为先进生物医学与工程用TiNi SMA性能定制提供可行制造途径。

研究背景方面，钛镍系形状记忆合金（TiNi SMA）因可逆热弹性马氏体相变（MT）具备形状记忆效应（SME）与超弹性（SE），其强度与功能特性高度依赖热机械加工（TMP）制度。富镍TiNi（Ni > 50.5 at.%）在250–550 °C发生时效，析出Ti₃Ni₄相并产生沉淀强化；既往研究多关注静态时效（SA）或严重塑性变形（SPD）中的动态时效（DA），但DA与后续SA协同作用机制尚不清，且DA在300–500 °C压缩中如何竞争动态多边形化与析出强化仍需系统阐明。该文发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》，旨在揭示DA+SA集成路线对富镍Ti–50.8 at.% Ni SMA结构-相态与硬度、相变温度的调控规律。

关键技术方法上，研究人员以直径5 mm、长10 mm的Ti–50.8 at.% Ni棒材为对象，经700 °C/30 min水淬参考处理（RT）后，在300、350、430、500 °C以应变率1 s^?1压缩至真应变ε=0.5、0.9、1.3，水淬；再于430 °C分别SA 1 h与10 h水淬。表征手段包括光学显微镜观察组织形貌、TEM明/暗场与选区电子衍射（SAED）分析亚结构与Ti₃Ni₄尺寸、XRD测定{110}_B2峰宽（B₁₁₀）、DSC（10 K/min，?100~100 °C）提取相变峰温、维氏硬度（1 N/10 s，10点取平均）。

研究结果部分，3.1差示扫描量热法（DSC）显示RT态为单一B2?B19′相变、热滞ΔT=31 °C；DA及DA+SA试样均出现B2→R与R→B19′两级相变，源于Ti₃Ni₄析出造成Ni贫化区（B2*）与未贫化基体并存；纯DA后相变峰向低温偏移，归因为变形残留微应力与缺陷致晶格畸变；SA后R相比例升高，10 h SA近完全B2→R。3.2 X射线衍射（XRD）表明RT态B₁₁₀=0.18°2θ，DA使B₁₁₀升至最高0.73°2θ且同温下随应变不变，证实时变稳态；升温DA使B₁₁₀下降，示动态多边形化减畸变；1 h SA后中低温DA样B₁₁₀降，500 °C DA样趋稳；10 h SA后中高温DA样B₁₁₀反弹，归因于R相双峰(330)_R/(3)0)_R叠加与Ti₃Ni₄(1)2)反射（43.3°2θ）显现。3.3光学显微镜见初始等轴晶33±5 μm，压缩后结构单元垂直压轴拉长，形状因子SF由1.1升至2–4，受累积应变主导；晶内见B19′/R板条、变形带及2–5 μm铸造Ti₂Ni。3.4透射电子显微镜（TEM）示430 °C DA得50–300 nm亚晶与高位错密度带状亚结构，Ti₃Ni₄仅SAED可辨；430 °C DA+1 h SA析出20–30 nm、体积分数~18%的Ti₃Ni₄，R相增多；500 °C DA+1 h SA亚晶长至100–500 nm，Ti₃Ni₄细化至13–18 nm、体积分数34%，证DA能形核但长大受限。3.5硬度测试示RT为213 HV，DA硬度随温升先微降后430–500 °C骤降约40 HV（动态多边形化软化为主）；1 h SA平均升约40 HV（沉淀强化占优）；10 h SA降15–20 HV（过时效，静态多边形化弛豫为主）；DA温度依赖性在1 h SA后部分保留、10 h SA后消失。

讨论与结论翻译：在富镍TiNi SMA中，300–500 °C压缩进入动态多边形化与DA竞争区间，ε>0.5即达稳态形变（B₁₁₀与硬度不随应变变）。DA虽启动Ti₃Ni₄形核，但因变形时间短且动态回复并存，析出相长大远不及SA。430–500 °C为最优DA温区，DA最盛且Ti₃Ni₄阻碍结构单元长大促超细晶；500 °C DA+1 h SA获最细析出相与最匀亚结构。所集成TMP（DA+SA）策略可定性裁剪析出弥散度、晶粒细化程度与马氏体相变特征，为先进生物医用及工程TiNi SMA制造提供新路径。