功能材料论文形状记忆合金

Ti-Ni形状记忆合金的制备、性能及应用

摘要：Ti-Ni形状记忆合金是现代一种性能优良的新型功能材料，本文主要介绍了其简介、制备方法、主要性能和主要的应用及发展前景。

形状记忆合金的发展背景：在研究Ti-Ni合金时发现：原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到一定值时，它有恢复到原来弯曲的形状。人们把这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect）简称SME,具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆现象的发现可以追溯到1932年，美国在研究Al-Cd合金时观察到马氏体随温度变化而消长；1938年美国哈佛大学和麻省理工学院发现Cu-Sn，Cu-Zn，合金在马氏体相变中的形状记忆效应；同年前苏联对Cu-Al-Ni，Cu-Sn合金的形状记忆机理进行了研究；1951-1953年，美国分别在Au-Cd，In-Ti，合金中观察到形状记忆效应。知道60年代初，形状记忆效应制备看作是一种现象，Ti-Ni合金形状记忆效应发现后，美国研制了最初实用的形状记忆合金“Nitinol”。

形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloy)是指具有一定的初始形状，经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或者化学刺激处理又可以恢复其初始形状的一种新型金属功能材料。由于这种合金具有独特的形状记忆效应和超弹性效应，可以制作小巧玲珑、高自动化、性能可靠的元器件，目前已被广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械空间技术、能源开发等领域。

形状记忆效应：形状记忆效应有三种形式。

第一种称为单向状，再重新加热到As以上，马氏体发生逆转变，温度升高至Af 点，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。一般形状记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后是马氏体发生塑性变形，改变其形没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。

有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从母相再次冷却为马氏体时，还回复马氏体形状，这种现象称为双向形状记忆效应。

第三种情况是在Ti-Ni合金系发现的，在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。

目前已发现的形状记忆合金种类很多，可分为镍钛系、铜系、铁系合金三大类。另外，近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同，还有待于进一步研究。目前已实用的形状记忆材料只有Ti—Ni合金和铜系形状记忆合金。

Ti-Ni合金的制备

1铸造

Ti-Ni合金是高温延展性良好的材料。当温度超过400℃后．拉伸强度下降，与此相反，延伸率迅速增加。可见．如果温度范围定得合理．Ti-Ni合金无论锤锻、压力机上锻造或径向锻造都是比较容易进行的。实践表明锻造温度不宜高于900℃．否则合金表面将剧烈氧化而产生Ti-Ni—Ti4Nb2低熔点混合物相。过是间隙氧污染物质，具有脆化合金的作用。另一方面温度分布不宜低于750℃，否则材料的变形抗力增大．缺口敏感性突出，常易造成撕裂性质的破坏．使废品率增加。因此，锻造温度范围为750～900℃。铸锭锻造前需经850℃、l2h均匀退火．然后．机加工去表面氧化皮和冒口，再锻成棒料。

2热挤压

从Ti-Ni的高温拉伸性能来看．Ti-Ni合金适宜挤压。但不能进行冷挤压。Rozner 在0.7Tm(Tm为金属的熔点)温度成功的进行了Ti-Ni的热挤压。铸锭经机加工后用碳钢

包套．然后在900℃挤压．挤压比为4：1～16：1．挤压后坯料在600℃退火1h．然后炉冷．

3轧制和拉拔

棒料轧制一般可在普通多机座连续轧机上进行一孔型设计按常规由平椭圆、椭圆和圆组成。起轧温度820士20℃。根据成品的尺寸要求．应旨理地将整个轧制过程分解为一定数量的道次。轧制道次如下：Φ43mm一Φ25ram 7道次．Φ25mm一Φ15ram 5道次．Φ25mm一Φ8．5ram 9道次。轧制板材的设备最好带有预应力装置。板材轧制温度应略高于棒材，但不高于900℃，否则氧化皮增加影响材质。坯料厚度从30mm轧至2．8～3．2mm采用9道次。轧制带材的方法不同于棒材和板材．最好温轧。轧制时前后应有一定的张力。用通电的方法使材料保持温度(500～600℃)．以免出现加工硬化．每一遭次压下量应控制在0.2～0．3mm左右。Ti-Ni合金在70℃以上存在异常大的速度加工硬化。冷加工必须正确掌握变形率和中间退火。冷轧的道次变形率应小于2％，冷拔为10%，每道的中间退火温度宜采用650～700℃。经研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20℃为佳。Ti-Ni合金丝的冷拔工艺为：中间退火温度为750℃，退火时间15min，润滑剂用肥皂．拔丝速度小于6m/min．第一道次冷拔量15％～20%．其后的道次冷拔量为10%左右。2次退火间总冷拔量为40％～45％。

4冷加工

Ti-Ni合金的布氏硬度虽然只有90上下，但切削性能很差．特别是钻孔时，如用高速钢刀具．剧寿命更短，所以一般使用硬质合金(如碳化钨)刀具。切削速度应适中．过快或过慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂轮为佳，

5粉末成形

Ti-Ni记忆合金的机加工性能较差，近年来人们开始研究采用免除或减步加工工序的粉末情金方法和精铸方法来制造记忆合金零件。目前大致有2种粉末成形的方法：

(1)用预制的Ni一Ti合金粉末经过2次热等静压扩散烧结．主要用于制备拉丝的优质毛坯。

(2) 直接用Ni和Ti粉作原料经过一次烧结和热等静压处理。

试样制备工艺是：将350目Ti粉和还原的羰基Ni粉50％(原子数分数)的比例混合，置于石墨模中在热压机上烧结。再经过包套轧制和高压等静压处理后．进行均匀化处理。试样密度是理想材料的95％～97％．但回复率只有熔炼材料的70%左右。目前，Ti-Ni 合金的粉末成形还存在一些问题。由于粉末中有杂质和氧含量．加上制备过程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等问题，都使粉末成形值得更深入研究。

Ti-Ni记忆合金的性质及特点

近等原子比的Ti-Ni基记忆合金是最早得到应用的一种记忆合金。由于其具有优异的形状忆效应、高的耐热性、耐蚀性、高的强度以及其他合金无法比拟的热疲劳性与良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到广泛的应用。

Ti-Ni基记忆合金的相变温度对成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就会引起相变温度降低10℃，添加的第三元素对Ti-Ni 合金相变温度的影响也很大。具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性；

研究最全面、记忆性好、实用性强的形状记忆合金材料，是目前应用最为广泛的形状记忆材料。