制备工艺对钛系形状记忆合金组织性能的影响研究

发布时间：2017-08-31 16:03

  本文关键词：制备工艺对钛系形状记忆合金组织性能的影响研究

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【摘要】：钛系形状记忆合金因其良好的变形能力、耐腐蚀性、生物力学稳定性以及良好的生物相容性等特点,在生物医学、航空和航天领域已得到广泛应用。近年来,Ti-Ni、Ti-Nb系合金的形状记忆效应及其超弹性是材料科学领域的研究热点之一。要获得高性能的Ti系形状记忆合金,在关注其形状记忆效应的同时,还需调控制备工艺以获得优异的力学性能。由于具有升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、生产效率高等优点,放电等离子烧结(SPS)是一种适合制备超细晶/细晶合金的材料制备工艺。有鉴于此,本文将Ti-Ni、Ti-Nb系合金作为研究对象,以放电等离子烧结(SPS)、铸造法作为制备工艺,结合DSC、XRD、SEM、TEM等多种材料分析方法和测试技术对Ti系合金的相组成、微观结构、及其力学性能进行了系统的研究,旨在探索具有优异力学性能形状记忆合金的较最佳成形方法及制备工艺,为今后形状记忆合金方面的研究提供一定的理论指导及实验依据。首先,将Ti49.8Ni50.2-xCux(x=0,2.5,5,7.5)合金粉末进行60h机械球磨,通过DSC及XRD测试分析,确定其已接近完全非晶态,终态粉末平均颗粒尺寸为20μm。选取x=5及x=7.5两种合金,对其晶化动力学和晶化机制进行了研究,结果表明:x=7.5的合金晶化所需的形核能以及晶粒长大所需的能量均高于x=5的合金粉末,表明x=7.5的合金粉末具有更好的热稳定性;通过计算得出x=7.5的合金粉末的平均Avrami指数n=2.13,而x=5的合金粉末平均n=2.46,n值的降低意味着形核率的降低。随后,研究了SPS制备的Ti Ni Cu系块状合金的组织结构与力学性能。结果表明:通过SPS制备的Ti49.8Ni45.2Cu5合金具有更加优异的力学性能,其断裂强度为2372MPa,断裂应变达到17%,而其他合金都属于脆性断裂。断裂方式与其微观结构密切关联,连续的基体及均匀分布的第二相是促成优异力学性能的主要原因。其后,将SPS与铸造法制备的Ti49.8Ni50.2-xCux合金在900℃进行热处理,并其分别进行了DSC、SEM及EDX测试的对比分析,研究表明Ti49.8Ni50.2合金的记忆效应发生了明显变化。原始烧结态合金的相变峰不太明显,而经SPS热处理后,Ti49.8Ni50.2合金中的相变峰变得非常明显,其转变滞后为12℃;且热处理后合金中Ni Ti2相大幅减少,同时又析出了Ni4Ti3相;而同成分的铸造态合金经热处理后,随着热处理温度的升高,其Ms逐渐下降,而As基本保持不变,这主要是由于沉淀相的析出改变了基体化学成分,进而引起相变点变化所致。最后,研究了热处理工艺对SPS制备的Ti-24Nb-x Zr(x=0,2,6)块状合金相组成、超弹性及力学性能的影响。结果表明:Ti-24Nb-6Zr块状合金具有优异的力学性能,其屈服强度为1733MPa,压缩断裂强度为2680MPa,断裂应变为43%;烧结态合金经热处理后,在前几次的循环试验中基本可以完全回复,且Ti-24Nb-6Zr块状合金可以同时获得2.56%的超弹性应变,且此时的可恢复应变为6.89%;在600℃时效1h,Ti-24Nb-x Zr(x=0,2,6)块状合金可获得较好的超弹性,且Ti-24Nb-6Zr块状合金可获得1.85%的超弹性应变及5.58%的可恢复应变。
【关键词】：形状记忆合金 非晶晶化 放电等离子烧结 超弹性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 TiNi形状记忆合金研究进展12-15
• 1.2.1 超弹性与形状记忆效应的关系13
• 1.2.2 Ti-Ni形状记忆合金的影响因素13-15
• 1.2.2.1 化学成分的影响14-15
• 1.2.2.2 热处理温度的影响15
• 1.2.2.3 冷变形的影响15
• 1.3 TiNb形状记忆合金的研究进展15-19
• 1.3.1 Ti-Nb合金的超弹性16-17
• 1.3.2 合金元素对Ti-Nb合金的影响17-19
• 1.4 形状记忆合金的制备19-20
• 1.5 高强韧钛系合金放电等离子烧结制备研究现状20-22
• 1.6 本论文的研究目的、意义和内容22-23
• 1.6.1 研究目的和意义22-23
• 1.6.2 研究内容23
• 1.7 课题来源23-24
• 第二章 试验方法与研究方案24-30
• 2.1 实验方案设计及成分确定24
• 2.2 合金粉末制备24-25
• 2.3 超细晶块体合金的制备25
• 2.4 热处理工艺25
• 2.5 样品表征分析方法25-30
• 2.5.1 DSC热物性分析25-26
• 2.5.2 致密度分析26
• 2.5.3 XRD相分析26-27
• 2.5.4 力学性能分析27
• 2.5.5 化学元素分析27
• 2.5.6 TEM分析27
• 2.5.7 SEM分析27-28
• 2.5.8 模具设计28-30
• 第三章 机械球磨法制备Ti_(49.8)Ni_(50.2-x)Cu_x非晶粉末30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 Ti_(49.8)Ni_(50.2-x)Cu_x (x=0，2.5，5，7.5)非晶粉末的制备30-40
• 3.2.1 XRD相转变分析30-31
• 3.2.2 SEM形貌分析31-33
• 3.2.3 DSC热物性分析33-34
• 3.2.4 晶化动力学研究34-36
• 3.2.5 铜含量对Ti_(49.8)Ni_(50.2-x)Cu_x合金晶化机制的影响36-39
• 3.2.6 铜元素对Ti_(49.8)Ni_(50.2-x)Cu_x合金非晶形成能力的影响39-40
• 3.3 本章小结40-42
• 第四章Ti_(49.8)Ni_(50.2-x)Cu_x形状记忆合金的组织性能研究42-54
• 4.1 非晶粉末的烧结参数42
• 4.2 铜含量对烧结合金的组织性能的影响42-46
• 4.2.1 铜含量对合金相组成的影响42-46
• 4.3 铸造法制备合金的组织性能46-48
• 4.4 铜含量对记忆转变温度的影响48-52
• 4.5 两种工艺制备合金的形状记忆效应对比分析52-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第五章 钛铌系形状记忆合金的组织性能研究54-76
• 5.1 引言54
• 5.2 Ti-24Nb-x Zr (x=0,2, 6)粉末的制备54-56
• 5.2.1 XRD相分析54-56
• 5.3 Zr含量对钛铌合金组织性能的影响56-61
• 5.3.1 XRD相分析57
• 5.3.2 SEM结构分析57-59
• 5.3.3 力学性能分析59-61
• 5.4 热处理工艺对合金相组成及组织的影响61-63
• 5.5 断口形貌分析63-65
• 5.6 Ti-Nb合金的超弹性性能65-73
• 5.6.1 Zr含量对合金循环压缩力学性能的影响67-69
• 5.6.2 时效温度对合金循环压缩力学性能的影响69-72
• 5.6.3 与铸造法制备合金的对比分析72-73
• 5.7 循环压缩的变形机理73
• 5.8 本章小结73-76
• 全文结论76-78
• 参考文献78-86
• 攻读硕士期间取得的研究成果86-87
• 致谢87-88
• 附件88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 尹燕;徐仰涛;沈婕;夏天东;;三元Ni-Ti基形状记忆合金的研究现状[J];材料导报;2006年12期

2 李元元;邹黎明;杨超;;粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[J];华南理工大学学报(自然科学版);2012年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 江鸿杰;轻质高强高阻尼Ni-Ti形状记忆合金与复合材料的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 翟甲友;医用钛基形状记忆合金的设计及其组织与性能研究[D];湘潭大学;2008年

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本文编号：766532