黎 政，朱 明，李明陽，陳光耀，汪宏斌, 3，Wajid Ali，魯雄剛, 3，李重河, 3

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072) (2.北京有色金屬研究總院，北京 100088) (3.上海特種鑄造工程技術(shù)研究中心，上海 201605)

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熱處理對新型坩堝熔煉的TiNi合金性能的影響

黎 政1，朱 明2，李明陽1，陳光耀1，汪宏斌1, 3，Wajid Ali1，魯雄剛1, 3，李重河1, 3

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072) (2.北京有色金屬研究總院，北京 100088) (3.上海特種鑄造工程技術(shù)研究中心，上海 201605)

將自制的25 kg級BaZrO3坩堝用于Ti-55.8%Ni合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的真空感應(yīng)熔煉，并將合金鑄錠經(jīng)鍛造、軋制、拉拔等工序制成φ1.0 mm的TiNi合金絲材，取樣經(jīng)不同的制度熱處理后，分析了TiNi合金絲材的拉伸性能、低周彎曲疲勞性能以及拉伸、疲勞斷口形貌。結(jié)果表明：絲材經(jīng)700 ℃保溫1 h水淬處理后，延伸率可達(dá)23%，韌窩尺寸變小、數(shù)量增多，且微孔數(shù)量大幅減少。此外，絲材經(jīng)500 ℃或550 ℃保溫20 min水淬處理后，疲勞壽命得到提高，最高可達(dá)3 072次，疲勞斷口處貝紋線排列緊密，裂紋較短且部分存在分叉現(xiàn)象。

TiNi合金；拉伸性能；低周彎曲疲勞性能；斷面形貌

0 引 言

TiNi形狀記憶合金是一種常見的含鈦功能材料，具有良好的形狀記憶效應(yīng)、超彈性和較好的機(jī)械性能、抗腐蝕性能及生物相容性，幾乎應(yīng)用于電子、機(jī)械、宇航、運(yùn)輸、建筑、化學(xué)、醫(yī)療、能源以及日常生活用品等各個(gè)領(lǐng)域[1-6]。目前工業(yè)生產(chǎn)中，TiNi合金的熔煉大多采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)[7]。但鈦系合金固有的高化學(xué)活性使其容易在熔煉過程中與坩堝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使雜質(zhì)元素在熔煉過程中滲入合金熔體，從而影響合金的性能。所以需要找到一種合適的新型坩堝耐火材料來有效防止合金熔體的污染。

BaZrO3為典型的ABO3型立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高達(dá)2 600 ℃[8]，密度高，機(jī)械強(qiáng)度和熱化學(xué)穩(wěn)定性較好，熱膨脹系數(shù)較低[9-10]，且成本低。Zhang Z等人[11]的研究發(fā)現(xiàn)，用自制的BaZrO3小坩堝熔煉TiNi合金時(shí)，BaZrO3坩堝與TiNi合金熔體之間具有良好的反應(yīng)惰性，合金熔體幾乎不與坩堝發(fā)生反應(yīng)。因此本研究采用李重河課題組研制的25 kg級BaZrO3坩堝熔煉，制備了TiNi形狀記憶合金鑄錠并加工成絲材，對TiNi合金絲材進(jìn)行熱處理，研究熱處理制度對絲材拉伸性能及彎曲疲勞性能的影響，并觀察分析材料的斷口形貌，從而驗(yàn)證BaZrO3新型坩堝熔煉制備高品質(zhì)TiNi形狀記憶合金的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料制備

選取5.97 kg的0級海綿鈦(純度大于99.7%)和7.53 kg電解鎳板(純度大于99.96%)為實(shí)驗(yàn)原料，熔煉裝置為高頻真空感應(yīng)熔煉爐，熔煉所用坩堝為李重河課題組研制的25 kg級BaZrO3坩堝。實(shí)驗(yàn)前將原料置于坩堝中，將爐內(nèi)真空度抽至5×10-2Pa以下，用氬氣洗爐2～3次，完成洗氣后將爐內(nèi)真空度再次抽至5×10-2Pa后給予初始功率5 kW進(jìn)行預(yù)熱，之后以每5 min升高5 kW的速率進(jìn)行加熱，當(dāng)原料在熔化期開始發(fā)紅時(shí)向爐內(nèi)充入0.6 MPa的氬氣，防止熱損。原料完全熔化后進(jìn)入精煉期，在1 450 ℃下保溫3 min后停止加熱，隨后開始澆注。澆注完畢后隨爐冷卻至室溫，得到13.5 kg的Ti-55.8%Ni合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鑄錠。鑄錠經(jīng)均勻化處理、鍛造、軋制、旋鍛和拉拔等工藝，加工成φ1.0 mm的TiNi合金絲材樣品。

1.2 樣品處理

取TiNi合金絲材樣品進(jìn)行不同制度的熱處理，具體制度見表1。對熱處理后TiNi合金絲材的拉伸性能和彎曲疲勞性能進(jìn)行測試，并對斷口形貌進(jìn)行表征。

表1 TiNi合金絲材的熱處理制度

1.3 性能測試

采用Z2.5/TS1S型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試不同狀態(tài)下TiNi合金絲材的拉伸性能，采用S-3400N型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷口形貌，采用自制的低周彎曲疲勞性能測試裝置[12](見圖1)測試TiNi合金絲材樣品的疲勞壽命。拉伸性能和疲勞性能都重復(fù)測試三次，求出平均值和偏差范圍。

圖1 低周彎曲疲勞試驗(yàn)裝置示意圖

使用低周彎曲疲勞性能測試裝置時(shí)，必須保證絲材樣品的彎曲和恢復(fù)過程在同一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中，試樣要緊貼卡塊A表面開始彎曲，當(dāng)彎曲到接觸擋塊B時(shí)便撤除應(yīng)力使之自由恢復(fù)，恢復(fù)到初始位置后再進(jìn)行下一次循環(huán)，圖1中T和E為模具圓柱弧面的起始點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中選定低周彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的變形量ε為7%。直徑D為1 mm的絲材于T或E處斷裂皆視為無效實(shí)驗(yàn)，由變形量ε的計(jì)算公式(1)[12]，求得模具弧面半徑R約為6.6 mm。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理制度對TiNi合金力學(xué)性能的影響

不同制度下TiNi合金絲材的抗拉強(qiáng)度和延伸率見圖2、3。從圖2和圖3可以看出，抗拉強(qiáng)度和延伸率最大可達(dá)1 354 MPa和23%。隨著熱處理溫度的升高，抗拉強(qiáng)度降低，延伸率提高。Foroozmehr A的研究表明[13]，軋制過程中會(huì)伴隨馬氏體變體的調(diào)節(jié)過程，同時(shí)，許多變形奧氏體和缺陷會(huì)引入合金組織中，這些變形機(jī)制會(huì)在拉伸實(shí)驗(yàn)中阻礙隨后發(fā)生的馬氏體調(diào)節(jié)過程，從而導(dǎo)致馬氏體相變受阻。另外，缺陷的引入使得加工態(tài)絲材試樣的抗拉強(qiáng)度增大而延伸率減小[13]，導(dǎo)致材料在拉伸實(shí)驗(yàn)中容易發(fā)生斷裂。對絲材試樣進(jìn)行水淬處理可以發(fā)現(xiàn)，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率發(fā)生了一定的變化。Lin H C的研究表明[14]，當(dāng)熱處理溫度高于400 ℃時(shí)，通過保溫階段里合金中變形組織及缺陷的消除，馬氏體的調(diào)節(jié)過程會(huì)逐漸地恢復(fù)，馬氏體相變又可以進(jìn)行[13]。從圖3可以看出，F(xiàn)制度處理的絲材試樣延伸率達(dá)到最大值。可知該制度下馬氏體調(diào)節(jié)過程恢復(fù)的比較完全，使得材料在拉伸實(shí)驗(yàn)中不容易發(fā)生斷裂。因此，合適的水淬溫度對于TiNi合金絲材延伸率的提高是有促進(jìn)作用的。此外，合金試樣在高于600 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生再結(jié)晶[14]，制度F的熱處理溫度已高于TiNi合金的再結(jié)晶溫度，此時(shí)樣品已經(jīng)發(fā)生了較為完全的再結(jié)晶并去除了殘余應(yīng)力[15]，所以該狀態(tài)下的絲材在拉伸實(shí)驗(yàn)中不容易發(fā)生斷裂，延伸率最大。

圖2 不同狀態(tài)下TiNi絲材樣品的抗拉強(qiáng)度

圖3 不同狀態(tài)下TiNi絲材樣品的延伸率

圖4為不同制度下TiNi合金絲材拉伸后的斷口形貌。從圖4可以看出，加工態(tài)A和C制度熱處理樣品，斷口處韌窩尺寸偏大且微孔較多，組織不是很致密。戚寶德的研究表明[15]，微孔首先在拉伸過程中第二相析出物顆粒(或夾雜物)破裂處或與基體脫離處成核，并隨著拉伸過程的進(jìn)行不斷長大、聚合而形成微裂紋，直至斷裂?？芍狝、C兩種狀態(tài)的絲材抗拉強(qiáng)度較高，延伸率較低。經(jīng)E制度熱處理的絲材，韌窩尺寸變小，數(shù)量增多。劉騰軾的研究[16]也證實(shí)了韌窩越多且尺寸越小，材料的塑性越好。經(jīng)F制度熱處理的試樣斷口組織更加致密，微孔數(shù)量大幅度減少，拉伸過程中產(chǎn)生的微裂紋減少，延伸率得到提高。

圖4 不同狀態(tài)下TiNi絲材樣品拉伸斷口的微觀形貌

2.2 熱處理制度對TiNi合金低周彎曲疲勞性能的影響

圖5為不同狀態(tài)下TiNi合金絲材試樣的低周彎曲疲勞壽命。從圖5可以看出，熱處理后的絲材疲勞壽命有了很大改善。經(jīng)制度B、D熱處理的樣品疲勞壽命分別為3 072次和2 868次。由Brailovski V的研究[17]可知，材料在加工過程中形成了缺陷組織，這些缺陷沿形變的方向延伸，阻礙了馬氏體變體的產(chǎn)生，這對于馬氏體相變及其逆相變是十分不利的，會(huì)影響材料的彎曲恢復(fù)過程，從而影響材料

圖5 不同狀態(tài)下TiNi絲材樣品的低周彎曲疲勞壽命

的疲勞性能；然而采用適當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫瓤梢栽谝欢ǔ潭壬舷@種缺陷機(jī)制，強(qiáng)化基體[13]。所以TiNi合金絲材試樣經(jīng)熱處理后疲勞壽命有所提高。

圖6為不同狀態(tài)下TiNi合金絲材彎曲疲勞的斷口形貌。從圖6可以看出，加工態(tài)樣品斷面貝紋線

最稀疏，說明在低周彎曲疲勞性能的實(shí)驗(yàn)中，其疲勞裂紋的擴(kuò)展速度是最快的；經(jīng)制度B、D熱處理后的樣品貝紋線排列比較緊密，二者幾乎沒有很大的差別，所以疲勞壽命相差不多，但都比加工態(tài)高很多。

圖6 不同制度下TiNi絲材樣品疲勞斷口的微觀形貌

此外，從圖6還可以看出，加工態(tài)樣品的疲勞源處形成了較大的裂紋，且裂紋沿各個(gè)方向擴(kuò)張，沒有形成固定的裂紋生長區(qū)域，所以其貝紋線最為稀疏，斷裂速度最快，疲勞性能相應(yīng)也就最差。圖6b、c示出，經(jīng)制度B、D熱處理的樣品，斷口組織更加致密，未觀察到較大較深的裂紋。由于所有的疲勞源都緣自于樣品表面微缺陷[15]，而合適的熱處理制度可以有效地消除加工過程中引入的缺陷[14]，所以制度B、D處理后樣品的缺陷減少，內(nèi)部組織獲得改善，對材料疲勞性能的提高有促進(jìn)作用。即使在制度B、D處理后絲材疲勞彎曲實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生一些裂紋，但是這些裂紋都較短且部分存在分叉現(xiàn)象，這樣能夠較好地吸收部分裂紋尖端的畸變能量[15]，阻礙裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高了材料的疲勞壽命。

3 結(jié) 論

利用自制的25 kg級BaZrO3坩堝熔煉所得的TiNi合金鑄錠，加工成φ1.0 mm絲材后，進(jìn)行了不同制度的熱處理，分析不同狀態(tài)下的性能及斷口形貌，得到如下結(jié)論。

(1)加工態(tài)絲材抗拉強(qiáng)度最大，平均可達(dá)1 354 MPa；經(jīng)700 ℃×1 h/WQ處理的延伸率顯著提高，最高可達(dá)23%，其拉伸斷口處的微孔有部分消除，塑性獲得改善。

(2)經(jīng)500 ℃和550 ℃保溫20 min水淬處理后彎曲疲勞性能獲得了改善，最高可達(dá)3 072次；疲勞斷口上其貝紋線排列緊密，斷面處裂紋較短且部分存在分叉現(xiàn)象，裂紋的擴(kuò)展受阻，疲勞壽命提高。

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國內(nèi)外新聞

《鈦工業(yè)進(jìn)展》雜志入編《中文核心期刊要目總覽》成為中文核心期刊

從《中文核心期刊要目總覽》2014年版編委會(huì)獲悉，《鈦工業(yè)進(jìn)展》雜志入編《中文核心期刊要目總覽》2014年版(即第七版)之金屬學(xué)與金屬工藝類的核心期刊，該書由北京大學(xué)出版社出版。此次對于核心期刊的評價(jià)采用定量評價(jià)和定性評審相結(jié)合的方法(定量評價(jià)指標(biāo)體系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量、被摘率、影響因子、他引影響因子、被重要檢索系統(tǒng)收錄、基金論文比、Web下載量、論文被引指數(shù)、互引指數(shù)等12個(gè)評價(jià)指標(biāo))選作評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)源的數(shù)據(jù)庫及文摘刊物達(dá)50余種，統(tǒng)計(jì)到的文獻(xiàn)數(shù)量共計(jì)65億余篇次，涉及期刊14 728種。參加核心期刊評審的學(xué)科專家達(dá)3 700多位。經(jīng)過定量篩選和專家定性評審，從我國正在出版的中文期刊中評選出了1 983種核心期刊，入選率僅約為13.5%。

《鈦工業(yè)進(jìn)展》自1984年創(chuàng)刊以來，始終致力于全面反映鈦鋯鉿工業(yè)的研究現(xiàn)狀，促進(jìn)鈦鋯鉿工業(yè)的科技進(jìn)步，推動(dòng)鈦鋯鉿材料的創(chuàng)新應(yīng)用。經(jīng)過多年的努力，已發(fā)展成為我國鈦鋯鉿領(lǐng)域惟一一份國內(nèi)外公開發(fā)行的最具影響力和權(quán)威性的期刊，影響因子在我國98種金屬類期刊中居前15名。近年來，為了更好地詮釋辦刊宗旨，還新增了研究簡報(bào)、國內(nèi)外新聞等欄目，通過對俄羅斯、美國、日本等國家和地區(qū)鈦鋯鉿領(lǐng)域各大公司最新動(dòng)態(tài)進(jìn)行跟蹤報(bào)道，以期將世界鈦鋯鉿工業(yè)發(fā)展的整體水平呈現(xiàn)于讀者。

此次被中文核心期刊收錄是《鈦工業(yè)進(jìn)展》發(fā)展歷程中的又一個(gè)新的起點(diǎn)，對期刊的辦刊水平提出了更高的要求。編輯部將會(huì)在主辦單位中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)、西北有色金屬研究院的支持和引導(dǎo)下，更加努力，發(fā)揮自身優(yōu)勢、突出期刊特色，使《鈦工業(yè)進(jìn)展》擁有更好的明天。

(本刊通訊員)

Effect of Heat Treatment on Properties of TiNi Alloy Melted by New Type Crucible

Li Zheng1, Zhu Ming2, Li Mingyang1, Chen Guangyao1, Wang Hongbin1, 3, Wajid Ali1, Lu Xionggang1, 3, Li Chonghe1, 3

(1.State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai 200072, China) (2.General Research Institute for Non-Ferrous Metals, Beijing 100088, China)(3.Shanghai Special Casting Engineering Technology Research Center, Shanghai 201605, China)

Ti-55.8wt% Ni alloy ingot was prepared by vacuum induction melting in 25 kg-grade home-made BaZrO3crucible, and the ingot was turned intoφ1.0 mm wire by forging, rolling, drawing and etc. For the TiNi wire samples followed by different heat treatments, their tensile properties, low cyclic bending fatigue behaviors, fractographies and fatigue fractography morphologies were analyzed. The results show that, after water quenching at 700 ℃ for 1 h，the elongation of samples can reach 23%, and the sizes of dimples become smaller, while the numbers of dimples and micropores are shrink. Besides, after water quenching at 500 ℃ or 550 ℃ for 20 min, the fatigue life of samples is improved, which can reach 3 072 times. Cowrie pattern lines of fatigue fractographies are arrayed closely, and cracks in the matrix are small and part of the cracks are bifurcate.

TiNi alloy; tensile properties; low cyclic bending fatigue behavior; fracture morphology

2015-06-19

上海市科委基金項(xiàng)目(11DZ2283400，14JC1491400)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51225401, 51374142)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB643403)

李重河(1962—)，男，教授。