朱泓宇 楊慧敏

摘 要：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、光學(xué)顯微鏡（OM）、X射線衍射（XRD）、透射電鏡（TEM）等手段研究了V含量對(duì)Ti-48Ni-3Fe合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：TiNiFeV合金組織主要由韌性淺色基體TiNi相和硬脆性深色第二相Ti2Ni組成，其中Fe原子優(yōu)先置換基體中的Ni形成置換固溶體，V原子優(yōu)先固溶于第二相形成固溶體。隨著V含量增加，枝晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，第二相呈彌散析出。對(duì)Ti-48Ni-3Fe-xV合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：V元素的加入可有效提高Ti-48Ni-3Fe的抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)化效果在V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)最佳，抗壓強(qiáng)度為3310MPa。V元素的加入還可有效提高Ti-48Ni-3Fe的硬度，強(qiáng)化效果在V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)最佳，為849.97Hv0.2。

關(guān)鍵詞：記憶合金;V合金化;顯微組織;力學(xué)性能

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.002

中圖分類號(hào)：TG139.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2021）04-0009-05

Abstract：The effect of V content on the microstructure and mechanical properties of Ti-48ni-3fe alloy was studied by means of scanning electron microscope（SEM）， optical microscope（OM） and X-ray diffraction（XRD） It is dissolved in the second phase to form solid solution. With the increase of V content， the dendrite structure gradually disappeared and the second phase was dispersed. The mechanical properties of Ti-48Ni-3Fe-xV alloy were tested. The results show that the addition of V element can effectively improve the compressive strength of Ti-48Ni-3Fe alloy. The best strengthening effect is when the V content is 2.5at.%， and the compressive strength is 3，310 MPa. The hardness of Ti-48Ni-3Fe can also be improved by adding V element. The best strengthening effect is 849.97Hv0.2 when V content is 1.5at.%.

Keywords：shape memory alloy; V alloying; microstructure; mechanical properties

0 引 言

低溫形狀記憶合金因其相變溫度低、力學(xué)性能高、形狀記憶效應(yīng)良好的特點(diǎn)，在航空工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)液壓管接頭 [1-7]。目前應(yīng)用較廣的有Cu-Al-Mn基和Ti-Ni-Fe基2種基體的低溫形狀記憶合金[8-10]。由于Cu基合金母相材料具有高度有序性和強(qiáng)各向異性，因此機(jī)械加工困難、晶粒粗大，逐漸被加工性能優(yōu)異的Ti-Ni-Fe基低溫形狀記憶合金取代[11，12]。Ti-Ni-Fe形狀記憶合金由于抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度較好，延伸率較高，耐蝕性和耐磨性優(yōu)良，可作為理想的結(jié)構(gòu)材料[13-15]。Ti-Ni-Fe合金因其馬氏體相變溫度MS較低，即使在較低溫度，Ti-Ni-Fe合金管接頭也不會(huì)由于溫度低于MS產(chǎn)生馬氏體相變而松動(dòng)，因此航空工業(yè)液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用Ti-Ni-Fe形狀記憶合金制成的管接頭進(jìn)行管路連接[16-18]。隨著管接頭的力學(xué)性能要求逐漸提高，如何在保持現(xiàn)有馬氏體相變溫度下提高力學(xué)性能目前是低溫記憶合金研究的重要方向之一。

目前，對(duì)Ti-Ni-Fe基合金的研究主要集中在Ti-Ni-Fe三元合金的組織及性能研究，但對(duì)Ti-Ni-Fe基四元合金組織及性能方面的研究較少，因此，本課題的研究對(duì)四元低溫形狀記憶合金的發(fā)展具有重要意義。本文通過(guò)在Ti-Ni-Fe三元形狀記憶合金中添加不同含量的V元素，研究V含量對(duì)Ti-Ni-Fe-V四元合金的組織及性能的影響，以期獲得具有較好綜合性能的Ti-Ni-Fe-V四元低溫形狀記憶合金，并為低溫形狀記憶合金的進(jìn)一步應(yīng)用奠定一定試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

本文所用原料分別為零級(jí)海綿Ti、高純Ni粒、高純Fe、高純V（純度均為99.99%）。按照表1所示比例利用電子天平（精確到0.01g）稱量，總質(zhì)量約為30g。合金錠的制備是利用高真空非自耗電弧熔煉設(shè)備，坩堝為水冷銅坩堝。熔煉時(shí)先通過(guò)機(jī)械泵將真空度抽至5Pa，關(guān)閉機(jī)械泵，打開(kāi)分子泵將真空度抽至5×10-3Pa，通入氬氣至-0.5Pa作為保護(hù)氣體。合金熔煉時(shí)，控制鎢極距鈕扣錠的距離在5mm左右并不斷晃動(dòng)鎢極，促使合金熔體充分流動(dòng)，保證成分均勻。熔煉完成后用爐內(nèi)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)鈕扣錠重復(fù)熔煉，每個(gè)鈕扣錠至少反復(fù)熔煉3次以上，以保證不同組元合金完全熔化成分均勻。

金相試樣經(jīng)打磨和拋光后使用腐蝕劑（HF、HNO3、H2O的分子比為1∶3∶7）腐蝕，然后使用DV320立式顯微鏡來(lái)觀察宏觀組織并使用Apreo C型掃描電鏡觀察微觀組織。采用X′pert Pro型X射線衍射儀進(jìn)行物相標(biāo)定，將鑄態(tài)試樣加工成壓縮試樣，壓縮試驗(yàn)使用型號(hào)MST-200型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，壓縮試樣尺寸為Φ6mm×6mm，壓縮速率為1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 V對(duì)TiNiFeV合金組織的影響

2.1.1 V對(duì)TiNiFeV合金光學(xué)顯微組織影響

圖1為不同成分的形狀記憶合金鑄態(tài)顯微組織，由圖1（a）可見(jiàn)，Ti-48Ni-3Fe合金組織由淺色基體和深色第二相組成，由于熔煉過(guò)程使用的水冷銅坩堝，導(dǎo)熱速度非?？欤瑢?dǎo)致鑄錠底部溫度下降速度遠(yuǎn)高于頂部，底部的溫度較低，晶粒由低溫向高溫方向生長(zhǎng)，在溫度梯度的作用下，形成了柱狀晶。由圖1（b）可見(jiàn)，V元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，枝晶較為粗大，能明顯觀察到枝晶形貌。由圖1（c）可見(jiàn)當(dāng)V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，枝晶形貌模糊。隨著V原子數(shù)分?jǐn)?shù)增高到1.5%～3%，無(wú)法觀察到枝晶組織，第二相呈彌散析出。因?yàn)門(mén)iNi為立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，枝晶與枝晶臂夾角為90°，圖中Fe、V原子存在部分固溶，因此枝晶與枝晶臂夾角接近90°。

2.1.2 V對(duì)TiNiFeV合金SEM組織形貌的影響

為進(jìn)一步確定合金組織，利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀分別對(duì)Ti-48Ni-3Fe、Ti-48Ni-3Fe-3V合金進(jìn)行觀察及分析，由圖2（a）、（b）、（c）可知，在Ti-48Ni-3Fe合金中，基體Ti與（Ni+Fe）原子百分比約為1∶1，第二相Ti與（Ni+Fe）原子百分比約為2∶1，所以基體為Fe原子取代部分Ni原子的Ti（Ni，F(xiàn)e）相，第二相為Fe原子取代部分Ni原子的Ti2（Ni，F(xiàn)e）相，與文獻(xiàn)結(jié)果[14-15]一致。由圖3（a）、（b）、（c）可知，在Ti-48Ni-3Fe-3V合金中，基體（Ti+V）與（Ni+Fe）原子百分比為1∶1，第二相（Ti+V）與（Ni+Fe）原子百分比為2∶1。

由圖2（d）、圖3（d）XRD中未能看到新相生成，由于Fe、V原子均發(fā)生固溶，因此無(wú)新相產(chǎn)生。TiNi相為一種體心立方的B2結(jié)構(gòu)，8個(gè)Ti原子構(gòu)成正六面體，Ni原子占據(jù)立方體心位置（1/2，1/2，1/2）。B2相是體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=b=c，V、Fe的固溶導(dǎo)致了晶格常數(shù)的畸變，因此圖中峰的衍射角度較標(biāo)準(zhǔn)峰位都有偏移 [19]。

利用掃描電鏡對(duì)合金組織進(jìn)行線掃描，如圖4所示。由圖4（a）可以看到Ti含量在深色相所在區(qū)域明顯升高，而Ni含量則明顯降低。由于Fe、V原子百分比相對(duì)于Ti、Ni來(lái)說(shuō)較小，由圖4（a）難以直觀看到Fe、V含量變化趨勢(shì)，將Fe、V元素線掃描濃度單獨(dú)列出，如圖4（b）所示。

由圖4（b）可以看到在深色相位置Fe元素含量略微降低，而V含量則明顯升高，在TiNi形狀記憶合金中加入Fe、V后，F(xiàn)e優(yōu)先取代基體中Ni原子，V優(yōu)先取代第二相中原子，形成置換固溶體。

為進(jìn)一步確認(rèn)其合金的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)合金進(jìn)行了透射電子顯微觀察（TEM），如圖5所示。

由圖5（a）可以看到有灰色基體相和塊狀析出相，圖5（a）中顯示深色相的尺度在2μm左右。通過(guò)選區(qū)衍射進(jìn)一步確定其結(jié)構(gòu)如圖5（c），從其衍射花樣可知其結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)。從其衍射花樣圖5（b）可知其結(jié)構(gòu)為體心立方B2結(jié)構(gòu)。Fe置換了基體和第二相中等原子量Ni，且優(yōu)先置換基體中的Ni[20]。

2.2 V元素對(duì)Ti-48Ni-3Fe合金力學(xué)性能的影響

2.2.1 V元素對(duì)Ti-48Ni-3Fe合金硬度的影響

由圖6可以看到V元素原子數(shù)分?jǐn)?shù)從0增加到0.5%，硬度有明顯提高，隨著V含量的增加，硬度呈先增大后減小趨勢(shì)，Ti-48Ni-3Fe-1.5V硬度最大，為849.97Hv0.2。分析原因是由于V置換部分Ni原子形成置換固溶體從而固溶強(qiáng)化合金，所以硬度增大，而加入過(guò)量的V導(dǎo)致Ti2Ni相減少，硬度下降。

2.2.2 V元素對(duì)Ti-48Ni-3Fe合金抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7可見(jiàn)，加入V元素對(duì)Ti-48Ni-3Fe合金抗壓強(qiáng)度起到提高作用，強(qiáng)化效果在V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)最佳，抗壓強(qiáng)度為3310MPa。這是由于V原子取代部分Ni原子，對(duì)合金起到一定固溶強(qiáng)化作用，且固溶強(qiáng)化優(yōu)于第二相強(qiáng)化，所以合金抗壓強(qiáng)度增加。

抗壓強(qiáng)度整體呈上升趨勢(shì)，但由于抗壓強(qiáng)度受多個(gè)因素耦合作用，枝晶尺寸大小、第二相彌散程度等影響因素均會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度發(fā)生變化，故出現(xiàn)一定程度波動(dòng)。例如，V原子數(shù)分?jǐn)?shù)從2.5%升高到3%時(shí)抗壓強(qiáng)度下降，結(jié)合金相組織可以看到，在V含量從2.5%升高到3%時(shí)，第二相占比明顯下降，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

V含量對(duì)抗壓強(qiáng)度和硬度影響規(guī)律不一致，由于硬度和抗壓強(qiáng)度均受多個(gè)因素影響，結(jié)合金相組織可知，第二相彌散作用對(duì)硬度影響程度較大，而抗壓強(qiáng)度受基體占比影響較大，因此規(guī)律不一致。

3 結(jié)論

1）TiNiFeV合金組織主要由韌性淺色基體TiNi相和硬脆性深色第二相Ti2Ni組成，其中Fe原子優(yōu)先置換基體中的Ni形成置換固溶體，V原子優(yōu)先固溶于第二相形成固溶體。隨著V含量增加，枝晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，第二相呈條狀均勻分布。

2）在Ti-48Ni-3Fe合金中添加V元素可有效提高合金的硬度，硬度在V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)最佳，為849.97Hv0.2。

3）在Ti-48Ni-3Fe合金中添加V元素可有效提高合金的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度在V原子數(shù)分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)最佳，抗壓強(qiáng)度為3310MPa。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）