摘要
NiTi形状记忆合金因其独特的形状记忆效应和超弹性被广泛地应用于航空航天、生物医疗及机电驱动领域，但在制备复杂构件时存在着多工序引起的功能特性损失问题和机加工时的切削困难，极大地限制了NiTi合金构件的快速制备。本文旨在通过电子束熔丝沉积和热处理的技术路线，获得组织均匀、力学性能和功能特性稳定的NiTi合金，并对该过程中涉及的基础科学问题，如相变特征、析出行为、组织演变、形状记忆效应和超弹性响应等，展开系统的研究，为实现NiTi形状记忆合金复杂构件的快速制备探寻一种可行的加工途径。 本文以NiTi形状记忆合金丝为原材料，研究了不同工艺参数对电子束熔丝沉积NiTi合金成形质量、化学组分、微观组织、相变行为、力学性能、形状记忆效应和超弹性响应的影响，确定了适用于单道多层NiTi合金构件的电子束熔丝沉积工艺，即束流密度为45mA、移动速度为600mm/min、送丝速度为3m/min。该沉积工艺下制备的NiTi合金拥有99.6%的致密度，在室温下主要由呈柱状晶的B2奥氏体和少量的B19’马氏体组成，而在柱状晶晶粒内部和晶间存在着亚微米尺度的Ti4Ni2Ox析出物，呈现出了98.95%的形状记忆回复率和55.78%的压缩超弹性回复能力，且在加热和冷却过程中，马氏体相变均呈B2?B19’的一步可逆相变，奥氏体结束温度均接近室温，但其所处的热-力环境对电子束熔丝沉积NiTi合金的马氏体相变特征有显著的影响。此外，电子束熔丝沉积NiTi合金沉积方向和水平方向上的微观组织差异，使得其力学性能和超弹性响应呈现出明显的方向效应，且NiTi沉积体沿水平方向始终保持着较高的综合性能。 为了进一步改善电子束熔丝沉积NiTi形状记忆合金的力学性能和超弹性回复能力，在束流密度为45mA、移动速度为600mm/min、送丝速度为3m/min的工艺基础上，引入了小束流的层间重熔策略，确定了以20mA重熔束流为辅助的最佳重熔工艺。具体地，该工艺参数下制备的NiTi合金在室温下依然主要由呈立方织构{001}＜100＞的B2奥氏体组成，Ti4Ni2Ox析出物分布在外延生长的柱状晶晶间和晶粒内部，其抗拉强度和延伸率分别为553.8MPa和6.03%。同时，层间重熔工艺下制备的NiTi合金在加热和冷却过程中均呈现出单一可逆的马氏体相变，即B2?B19’，但层间重熔的引入促进了Ni元素的挥发，导致马氏体开始温度增加，且拉伸过程中应力诱导马氏体相变的临界应力σMs与Ms之间存在着-3.8MPa/℃的依赖关系。此外，随着拉伸应力的逐渐增加，NiTi沉积体中应力诱导的马氏体相变呈不连续、间断式的特点，SIM再取向处往往存在着较大的应变，易于形成局部的应力集中和塑性变形，且亚微米尺度的Ti4Ni2Ox析出物导致奥氏体基体呈拉应变，促进了较低应力状态下局部位错的形成，B19’马氏体可以借助这些位错作为“形核位点”，率先在呈立方织构{001}＜100＞的奥氏体中以特定的取向关系切变成不同的马氏体变体。当拉伸应力持续增加时，应力诱导的马氏体变体以(100)化合物孪晶的形式存在，而奥氏体以激活{011}＜001＞和{011}＜1-11＞滑移系位错为典型的塑性变形特征，且在拉伸变形后期出现了明显的去孪晶现象，SIM朝单一的片状马氏体转变，但也残留了少量不连续的{-1-11}类型Ⅰ孪晶马氏体，并伴随着明显的层错和严重变形奥氏体中的局部非晶带。 本文在层间重熔工艺的基础上，明确了以固溶和时效协同处理为主的热处理制度，即在1000℃固溶处理10小时后，再在500℃下时效处理4小时，获得的NiTi合金中Ti4Ni2Ox由原先的细长棒状转变为颗粒状，纳米尺度透镜状Ni4Ti3与B2奥氏体以{123}＜111＞B2//{11-20}＜0001＞Ni4Ti3的取向关系析出，促进了NiTi沉积体的强塑性协调，其抗拉强度和延伸率增加至680MPa和7.14%。同时，热处理调控后的NiTi合金在冷却过程中呈B2→R→B19’的两步相变，拥有良好的形状记忆效应和超弹性回复能力，但其超弹性响应行为对温度和应变速率有着显著的依赖性。具体地，在同一应变速率下，随着环境温度的升高，超弹性响应逐渐转变为近线性模式，且超弹性回复率呈先增加后减小的特点。然而，在同一测试温度下，NiTi合金超弹性循环时的响应滞后随加载速率的增加而减小，超弹性回复率整体随应变速率的增加而降低，其中Ti4Ni2Ox和Ni4Ti3析出物引起的位错塞积、奥氏体(011)[001]滑移系中位错滑移引起的塑性变形是NiTi合金超弹性回复能力衰退的机理。
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