原位Ti5Si3相增强轻质多孔NiTi基复合材料的制备及阻尼性能研究

作     者：毕子珺 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁斌

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Ti5Si3相 压力熔渗 多孔NiTi基复合材料 阻尼性能 比强度 

摘      要：机械制造、交通运输、航空航天和军事等多个领域逐渐朝着高速、精准、全天候、节能等方向快速发展,然而噪声与振动的问题不可避免,这不仅可能对设备产生无法逆转的危害,更严重的是可能会对人们的身心健康产生极大损害。目前,最根本有效的解决方法就是采用具有结构功能双重属性的高阻尼材料来消除或者降低噪声或振动源。NiTi基形状记忆合金具有高阻尼特性,并且可以多次重复使用,具有耐蚀性、耐磨性等优异的耐候性、超弹性以及优良力学性能,受到了研究人员的广泛关注。然而,NiTi形状记忆合金存在造价成本高、密度高和高温阻尼性能极差等致命缺陷,使其应用受到限制。在NiTi合金引入孔隙结构可以很好解决这些问题,但是目前方法制备的轻质NiTi记忆合金难以兼顾比强度与阻尼的矛盾关系。因此,本论文针对多孔NiTi形状记忆合金中这个关键问题展开研究,采用电弧熔炼和压力熔渗的方法,原位生成细小轻质TiSi硬质相的同时引入球形孔隙制备出轻质多孔NiTiSi复合材料,期望通过细小弥散第二相起到强化基体和增加耗散界面的效果,并系统研究了原位TiSi相的含量、空心球造孔剂尺寸以及熔渗工艺参数对压缩力学性能和阻尼性能的影响,主要得到以下几个结论:首先,本文通过电弧熔炼制备出三种成分的NiTiSi合金,分别是TiNiSi、TiNiSi和TiNiSi,它们的TiSi相含量分别为18.4%、25.6%和33.1%。其中TiNiSi合金的微观组织由完全共晶组织构成,展现了最优的力学性能和阻尼性能。在层片状共晶组织中,TiSi相的厚度范围为45～90 nm,NiTi相的厚度范围为110～200nm。并且,Si元素的加入有助于提高基体的相变温度,但是会降低材料的塑性。当Si元素的含量为10 at.%时,抗压强度为1.86 GPa,断裂应变为17.8%,比强度为320MPa·cm/g,同时,马氏体本征阻尼达到了0.029,奥氏体本征阻尼为0.007。其次,将性能最佳的TiNiSi合金作为多孔复合材料的基体合金,利用压力熔渗分别引入0.3～0.5 mm、0.5～0.7 mm和0.7～1 mm直径范围的陶瓷空心球,制备三种轻质多孔NiTiSi复合材料。空心球造孔剂的体积分数在52～55%之间,孔隙率分别为37.9%、39.4%和42.8%。TiSi相呈细小条状和颗粒状分布在NiTi相中,厚度在2～5μm之间,强度范围为110～130 MPa,比强度在30～40 MPa·cm/g。其中0.3～0.5 mm直径范围空心球制备的多孔复合材料综合性能最好,抗压强度可达111.6 MPa,奥氏体本征阻尼为0.068,是致密合金的9.7倍;马氏体本征阻尼为0.071,是致密合金的2.4倍。并且理论计算出多孔复合材料中节点区域的厚度为0.084 mm,节点区域的厚度越大,对应的强度越高。最后,对熔渗工艺进行进一步优化。对直径范围0.3～0.5 mm空心球制备的多孔NiTiSi复合材料进行空冷处理,这极大细化了共晶组织的片层间距,使TiSi相的厚度在0.5～1μm之间。空冷试样的抗压强度为99.6 MPa,比强度为29.0 MPa·cm/g,马氏体本征阻尼达到了0.085,奥氏体本征阻尼达到了0.080,相比于炉冷处理样品,其低温马氏体本征阻尼增加了19.7%,高温奥氏体本征阻尼增加了17.6%;当施加的应变振幅增加至0.4%,空冷试样的马氏体本征阻尼为0.096,奥氏体本征阻尼为0.080。相比于目前的利用压力熔渗制备的多孔NiTi基复合材料,其阻尼性能达到了最高水平。