成型工艺对NiTi合金结构和性能影响的研究

发布时间：2020-05-25 15:28

【摘要】：等原子比的镍钛形状记忆合金因其具有优良的形状记忆效应、超弹性和良好的生物相容性而被广泛地运用于各个领域。但是在镍钛合金的传统熔炼制备过程中,由于成分偏析、杂质等因素的影响,使得合金成分不均匀,最终会严重影响合金的性能。另外,铸锭在后期的塑性成型过程中,由于镍钛合金的加工硬化率高,所以单道次的变形量小,需要进行多道次加工。而采用粉末冶金法制备镍钛合金,则能有效的避免传统熔炼工艺的不足之处,且粉末冶金法能实现产品的近净成型,减少后期的加工。既能节约原料,还能减少生产工序,提高生产效率。本研究以金属镍粉和钛粉为原料,通过粉末烧结成型来制备镍钛合金。主要采用了压制成型(金属粉末—压制成型—烧结)和凝胶注模成型(金属粉末—料浆—浇注成型—烧结)两种成型工艺来制备镍钛合金,通过XRD、SEM、显微硬度等测试分析方法,主要研究了烧结工艺、烧结方法、原料状态等因素对制备出合金致密度的影响。得到的结果如下:(1)对压制成型的Ni-Ti坯体进行真空烧结,发现在1050℃下,随着烧结时间的增加,合金组织中的NiTi相含量增多,Ni3Ti和NiTi2等杂质相含量减少,合金密度值和硬度值都增加。烧结2~8小时,合金的密度为5.97~6.10g.cm-3,孔隙率为5.5%~7.4%,硬度为347.5~408.43HV,晶粒度为10~30um。其中烧结6小时制备出的合金最为理想,其密度为6.1g.cm-3,致密度达到94.6%,硬度值达到408.4HV,与致密态镍钛合金的理论密度(6.45g.cm-3)最为接近。而在900℃下烧结2~8小时,合金的密度从5.57g.cm-3增至5.63g.cm-3,其中烧结8小时得到合金的密度值最大,为5.63g.cm-3,致密度为87.3%,硬度为284.6HV。在1050℃下烧结出的合金的平均密度值比在900℃下烧结制备出的合金的平均密度值高出0.44g.cm-3,平均硬度值高出146HV。但是,高温烧结下合金的晶粒尺寸长大也更加明显,在1050℃下烧结时间从2小时增加到8小时,合金的晶粒尺寸从10um增加到20~30um。(2)在NiTi合金的烧结过程中,Ni、Ti原子间的相互扩散优先形成NiTi2和Ni3Ti相,然后再通过Ni Ti2+Ni→Ni Ti和Ni3Ti+Ti→Ni Ti的转变生成Ni Ti,但当坯体中的Ni和Ti被消耗完后,剩余的NiTi2和Ni3Ti将残留在组织中,这也是即便在1050℃下烧结8小时,合金组织中仍存在少量的NiTi2和Ni3Ti相的原因。(3)采用凝胶注模成型的方法制备Ni-Ti坯体,在制备Ni-Ti料浆的过程中发现,料浆的粘度值随着固含量的升高而升高。料浆中分散剂含量的增加则使的Ni-Ti料浆的粘度值先降低然后缓慢增加。在250r/min,球料比1:1的球磨条件下,球磨60min能使油酸的分散效果达到最佳,料浆的粘度大大降低。通过对实验结果的综合分析,最终选择Ni-Ti料浆的固含量为43%,分散剂加入量为金属粉末质量的1%,引发剂的的添加量为有机单体质量的1.7%,催化剂的添加量为有机单体积的10%。通过测量干燥过程中Ni-Ti凝胶坯体质量的变化和对DSC-TG结果的分析,确定了坯体干燥工艺为60℃下干燥时间24h,排胶工艺为300℃和450℃两个温度下分别排胶1h和4h。(4)以机械球磨制备的Ni-Ti混合粉和Ni-Ti合金粉为原料,用凝胶注模成型技术制备成的Ni-Ti坯体,然后在1050℃下真空烧结4小时。烧结后发现,以Ni-Ti合金粉为原料制备的合金组织中NiTi相含量更多,且各相在组织中的分布更加均匀,但是以合金粉为原料烧结出的合金中钛的氧化物也要多一些,而Ni-Ti混合粉烧结出的合金组织中的杂质相更多。两种粉末烧结后的合金组织中都存在大量均匀分布微孔,材料的密度也较低,合金粉为原料制备出的合金密度为5.42g.cm-3,孔隙率为16%,混合粉为原料制备出合金的密度为5.38g.cm-3,孔隙率为16.6%。但是在腐蚀后的晶相组织中,发现以Ni-Ti合金粉为原料制备出的合金的晶粒尺寸更细小。(5)在相同的烧结工艺下,对凝胶注模成型后的Ni-Ti坯体分别采用真空烧结和热等静压烧结制备镍钛合金。实验发现,两种烧结方式所制备出的合金的XRD测试结果基本一样,说明这两种烧结方式对合金的物相组织并没有影响。对两种合金的微观组织进行观察,发现热等静压烧结出的合金组织中的孔洞更少,其密度为5.9g.cm-3,孔隙率为8.5%,硬度为226.2HV,而真空烧结出的合金的密度为5.42g.cm-3,孔隙率为16%,硬度为192.6HV。从实验的结果可以得出,采用热等静压烧结能明显提高材料的致密性和硬度。
【图文】：

形状记忆合金,天线,镍钛合金,合金

士学位论文状记忆合金的发展1932 年，美国的 lander 就在 Au-Cd 合金中观察到了类橡皮效inger[6]等发现 Cu-Zn 合金在加热和冷却的过程中，马氏体会随的现象。1949 年，俄罗斯的 Kurdiumov[7]等人发现在 Cu-Sn 合生长的现象。1951 年张禄经和 T.A. Read[8,9]观察到 Au-Cd 合金可逆性。但是当时并没有引起人们足够的重视，直到 1962 年美的 Buehler[10]等在等原子比的镍钛合金中观察到了宏观形状变才逐渐引起了人们的重视。随后科研人员开始对这种具有特殊究，直到 1969 年，这种具有形状记忆效应的镍钛合金才首次在在 F14 战斗机上使用的镍钛记忆合金管接头是该类合金应用的“阿波罗”号宇宙飞船也采用了镍钛合金作为天线，如图 1.1。

示意图,形状记忆合金,销钉,紧固

NiTi 形状记忆合金的应用1 机械工程领域的应用① 连接件：采用镍钛形状记忆合金制作机械零件、管道接口连接件。其，连接性能优于焊接，特别适用于航天航空、船舰、核工业和海底输油接[23]。另外在一些人工不方便装配的部位，用形状记忆合金制成销钉，件后进行加热处理，加热时其尾部自动分开并卷曲，，从而实现连接紧固如图 1.2 所示。② 驱动原件：利用形状记忆合金加热时产生的恢复力对外做功的特点制备成各种驱动原件，并通过温度的改变来达到控制的目的。其灵敏度简单，可靠性好[23,24]。③ 制动原件：用形状记忆合金制作的制动零件主要用于汽车上，控制、悬吊等。可提高安全性、可靠性和舒适性。如德国的宝士公司和美hem 公司将镍钛合金制作成的弹簧引入汽车拍档系统中，用记忆性能来的同时还可增加减缓器的效能[23-25]。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF125

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