形状记忆合金大尺寸单晶及其制备技术研究

论文摘要

对Cu基形状记忆合金的应用研究已经证实,将各向异性的多晶Cu基记忆合金材料制备成柱状晶甚至单晶,能够显著提高合金的最大可恢复应变和疲劳性能,改善加工和机械性能,扩大记忆合金的应用领域。尽管TiNi形状记忆合金的弹性各向异性（A≈2）要小于Cu基记忆合金（A≈13）,但研究表明,TiNi合金的记忆性能和力学性能与晶体学取向也有着很大的依赖性和关联性。本论文通过自主设计、自行研制高温度梯度真空感应熔炼-定向凝固单晶炉和迷宫式选晶器,利用改进的Bridgeman定向凝固技术成功制备出较大几何尺寸（Ф15-20×200mm）的Cu基合金（CuAlNiBe、CuAlNi、CuAlBe）单晶或柱状晶和TiNi合金（Ti-55.1Ni wt%）单晶。其中Cu-12.5Al-3.5Ni-0.5Be合金成分的设计为首先提出。通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、示差扫描量热仪（DSC）、X射线衍射仪（XRD）、材料综合实验机和自制的记忆特性测量仪器等设备对所研制的单晶样品的宏、微观组织结构、相组成、相变特性及形状记忆特性、机械性能进行了系统研究。研究结果证明自行研制的高温度梯度真空感应熔炼-定向凝固单晶炉设计思路正确,结构紧凑,各分系统衔接良好,满足了多种记忆合金单晶制备的需求。迷宫式选晶器有效地实现了晶体的择优取向,成功地制备出具有较优性能的单晶和定向凝固的柱状晶记忆合金。选晶器模壳的界面反应的研究表明,高品质三高石墨可以作为定向凝固TiNi单晶及Cu基记忆合金单晶的选晶器模壳材料;而国产BN,因其会与TiNi熔体发生较剧烈的反应,不适宜作为选晶器模壳。通过宏、微观组织分析研究确认,利用自行研制的定向凝固单晶炉拉制的Cu基合金和TiNi合金铸棒样品确为单晶。Cu基记忆合金单晶内无晶界,其单晶生长方向即为记忆性能较佳的择优取向;TiNi合金单晶的试样横截面与纵截面均呈枝状晶分布特征,枝晶生长方向与定向凝固方向基本一致,没有出现晶界,单晶横截面法向与[111]取向夹角15°,接近TiNi合金记忆性能最佳的晶粒取向（ [233], [111] ）,是一个基本达到设计要求的取向。枝晶之间平行析出了Ti2Ni相,同时也有少量C元素在凝固过程中以TiC颗粒的形式析出,但碳化物的存在未影响单晶的制备与其性能。DSC法相变参数测定表明,Cu基合金及TiNi合金单晶样品具有典型的记忆合金相变特征,Mf、Ms、As、Af各相变点显示明显,相变温度与其成分范围基本吻合,为后续研究奠定了良好基础。形状记忆效应弯曲试验、拉伸变形实验及冷热循环疲劳实验的结果表明,自主研制的Cu-12.5Al-3.5Ni-0.5Be记忆合金单晶经热处理后记忆性能优异,最大可恢复应变达到10%以上,记忆疲劳性能明显优于多晶,其机械性能和加工性能也明显好于多晶合金;经过500℃热处理的TiNi合金单晶样品弯曲记忆性能最好,最大可恢复应变接近10.83%,与普通铸造、加工的多晶材料相比有了25%左右的提高,与理论计算的最大值10.7%相近,验证了我们优化合金性能的设想。同时其记忆疲劳性能也得到了较大的提升。由于等原子比TiNi合金单晶基体中未出现增强相,试样高温相基体塑性变形屈服强度较低,导致在达到应力诱发马氏体临界屈服应力之前,材料已经发生了部分滑移,导致出现了不可逆塑性变形,因此材料在Af温度点以上仅表现出了部分超弹性,残余变形较大,总体强度也偏低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 形状记忆合金概述
• 1.1.1 形状记忆合金的发展历史
• 1.1.2 形状记忆合金的种类
• 1.2 形状记忆合金的特性与原理
• 1.2.1 基本特性
• 1.2.2 形状记忆效应和超弹性的原理
• 1.2.3 形状记忆效应和超弹性的关系
• 1.3 形状记忆合金的结构与相变特性
• 1.3.1 Cu 基记忆合金
• 1.3.2 TiNi 合金
• 1.4 形状记忆合金性能改善的研究情况
• 1.4.1 Cu 基形状记忆合金
• 1.4.2 TiNi 基形状记忆合金
• 1.5 形状记忆合金的应用与产业现状
• 1.5.1 工业应用
• 1.5.2 医学应用
• 1.5.3 形状记忆合金的产业现状
• 1.6 单晶制备的基本原理
• 1.6.1 定向凝固
• 1.6.2 单晶生长
• 1.6.3 单晶的分类
• 1.6.4 单晶生长方法
• 1.7 国内外研究进展
• 1.8 本课题研究的目的及主要内容
• 1.9 本章小结
• 第二章 实验方案及单晶设备研制
• 2.1 总体实验方案设计
• 2.2 真空感应熔炼- 定向凝固单晶炉设计
• 2.2.1 设备主要结构及控制
• 2.2.2 设备主要参数
• 2.3 选晶器设计
• 2.3.1 选晶器通道设计
• 2.3.2 选晶器模壳材料的选择
• 2.4 Cu 基和TiNi 合金单晶的研制
• 2.4.1 Cu 基记忆合金单晶的研制
• 2.4.2 钛镍合金单晶的研制
• 2.5 本章小结
• 第三章 Cu 基记忆合金单晶研究
• 3.1 主要研究内容
• 3.1.1 热处理工艺
• 3.1.2 金相观测
• 3.1.3 相变点的测试
• 3.1.4 记忆性能测试
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 合金的成分分析
• 3.2.2 金相组织分析
• 3.2.3 相变点的测试结果
• 3.2.4 记忆性能测试结果
• 3.3 本章小结
• 第四章 钛镍记忆合金单晶研究
• 4.1 研究方法及实验仪器
• 4.1.1 化学成分分析
• 4.1.2 宏、微观组织分析
• 4.1.3 单晶的判定与定向
• 4.1.4 热处理
• 4.1.5 相变点测试
• 4.1.6 室温力学性能测试
• 4.1.7 形状记忆效应弯曲测试
• 4.1.8 拉伸回复记忆特性测试
• 4.2 TiNi 单晶的选晶-结晶器模壳材料的选择
• 4.2.1 石墨模壳
• 4.2.2 BN 模壳
• 4.3 TiNi 单晶的组织、晶体取向与相变特性
• 4.3.1 宏观组织
• 4.3.2 微观组织
• 4.3.3 单晶判定与定向
• 4.3.4 相变特性研究
• 4.4 TiNi 单晶的力学性能测试与记忆特性研究
• 4.4.1 室温力学性能及断口分析
• 4.4.2 弯曲记忆性能研究
• 4.4.3 拉伸回复记忆特性研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 本文创新点
• 参考文献
• 学习期间发表的文章和成果、专利
• 致谢