NbTi-NiTi原位復(fù)合材料的約束態(tài)相變阻尼

姜 江，蔣小華，姜大強(qiáng)，郝世杰，郭方敏，崔立山，張林偉

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NbTi-NiTi原位復(fù)合材料的約束態(tài)相變阻尼

姜 江1，蔣小華2，姜大強(qiáng)2，郝世杰2，郭方敏2，崔立山2，張林偉1

(1. 江西省科學(xué)院江西省銅鎢新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330029；2. 中國石油大學(xué)(北京) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昌平 102249)

為使記憶合金展現(xiàn)寬溫域高阻尼特性，采用熔煉、熱鍛、軋制等手段制備原位自生的NbTi-NiTi 記憶合金復(fù)合材料。借助NbTi對NiTi的約束，拓寬NiTi相變溫度區(qū)間，獲得寬溫域相變阻尼。采用LMR-1低頻力學(xué)弛豫譜測試機(jī)測試樣品內(nèi)耗。完全相變測試結(jié)果表明：材料能在很寬的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)高阻尼特性，并隨著預(yù)變形量的增加，馬氏體逆相變阻尼峰的峰溫隨之升高，峰寬也隨之增加；預(yù)變形后，樣品在第一次加熱過程中阻尼峰的峰溫較高，且峰較寬，而第二次加熱，阻尼峰溫和寬度都明顯降低；測試中材料的動態(tài)模量也伴有相同的變化。不完全相變測試結(jié)果表明：內(nèi)耗曲線出現(xiàn)雙阻尼峰，而動態(tài)模量曲線出現(xiàn)階梯式升高現(xiàn)象，且內(nèi)耗曲線和動態(tài)模量曲線都展現(xiàn)出溫度記憶效應(yīng)。

NiTi-NbTi復(fù)合材料；形狀記憶合金；約束態(tài)馬氏體相變

NiTi基形狀記憶合金不僅具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性[1?16]，還具有高阻尼特性。NiTi記憶合金在相變過程中或在馬氏體狀態(tài)都能展現(xiàn)極高的阻尼性能[17?18]，目前，已在諸多工程領(lǐng)域被用作減震降噪材料[18?19]。記憶合金的相變阻尼最高，在內(nèi)耗測試中會產(chǎn)生相變阻尼峰，其耗散因子可達(dá)10?1數(shù)量級。然而，自由態(tài)NiTi態(tài)記憶合金的相變溫度區(qū)間非常狹窄，通常僅有20 ℃左右，這導(dǎo)致記憶合金的高阻尼性能僅局限在非常狹窄的溫度范圍內(nèi)，大大限制了記憶合金作為阻尼材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。過去有報(bào)道指出，將預(yù)變形后的記憶合金復(fù)合在某種基體中，使記憶合金的可逆馬氏體相變在基體的約束條件下進(jìn)行，可以大大拓寬相變溫度區(qū)間[20]。那么，在記憶合金復(fù)合材料中，處于約束態(tài)相變的記憶合金極有可能實(shí)現(xiàn)在很寬的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)高阻尼性能。以往學(xué)者們多通過DSC或熱膨脹對約束態(tài)相變進(jìn)行研究[21?22]，并發(fā)現(xiàn)約束條件下，記憶合金的相變行為與自由態(tài)相變顯著不同。然而，目前很少見有關(guān)記憶合金約束態(tài)阻尼行為的報(bào)道。因此，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，需要系統(tǒng)而詳細(xì)地研究記憶合金的約束態(tài)相變對材料阻尼行為的影響。

在過去有關(guān)約束態(tài)相變的報(bào)道中，記憶合金多被復(fù)合在鋁合金[23?24]、鎂合金[25]、高分子[26]等基體中制備成復(fù)合材料，這些材料普遍存在界面結(jié)合強(qiáng)度低、界面易開脫的問題[27]，導(dǎo)致基體難以對記憶合金形成穩(wěn)定的約束。本文作者采用電弧熔煉、熱鍛、軋制等手段制備了一種原位自生的NbTi-NiTi 記憶合金復(fù)合材料。材料界面為冶金結(jié)合，復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度高，不容易開脫，故NbTi基體能夠?qū)iTi形成有效約束，有利于約束態(tài)相變阻尼行為的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

采用備有水冷銅坩堝的真空電弧熔煉爐(中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)，真空度為1×10?3Pa)熔煉獲得名義成分為60Nb-25Ti-15Ni(摩爾分?jǐn)?shù))的合金錠500 g。將合金錠在950 ℃下均勻化退火10 h，再進(jìn)行熱鍛、冷軋加工，其中每冷軋一定變形量后都會在800℃下退火20 min。當(dāng)最終冷軋至厚度為0.8 mm后，將軋板在500 ℃下退火20 min。采用FEI Quanta 200型掃描電鏡觀察顯微組織，并利用配備的X射線能譜儀進(jìn)行成分分析；采用德國產(chǎn)NETZSCH 204 F1型示差掃描量熱分析儀進(jìn)行相變行為測試，升降溫速率為10℃/min，保護(hù)氣氛為氬氣。利用線切割將軋板切成條形樣品若干，并利拉伸試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行預(yù)拉伸變形，樣品殘余變形量分別為1.4%、3.3%、4.3%和5.3%(本研究中提及的預(yù)變形量都指拉伸后的殘余變形量)。將預(yù)變形和未變形的樣品切割成0.8 mm×1.2 mm×80 mm的尺寸，用于內(nèi)耗測試。內(nèi)耗測試在LMR-1低頻力學(xué)弛豫譜測試機(jī)上進(jìn)行，測試中樣品被從室溫加熱至不同溫度，升溫速率為3 ℃/min。內(nèi)耗測試在頻率為1 Hz和應(yīng)變振幅為5×10?5條件下進(jìn)行的，且都是在強(qiáng)迫振動的方式下進(jìn)行的。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與相變

圖1(a)所示為冷軋60Nb-25Ti-15Ni樣品的顯微組織。照片中白色區(qū)域?yàn)锽CC-NbTi基體，而黑色區(qū)域?yàn)镹iTi相，且NbTi相與NiTi相的體積分?jǐn)?shù)大致為70%和30%。由圖1(a)可見，冷軋樣品中微米尺級的NbTi相與NiTi相交替分布，并沿著軋制方向伸長。由于NiTi合金只有當(dāng)Ni和Ti的摩爾比相近時(shí)，才能發(fā)生可逆馬氏體相變，并展現(xiàn)功能特性，圖1(b)中DSC曲線上的可逆馬氏體相變峰進(jìn)一步說明樣品中的NiTi相正是近等摩爾比的NiTi記憶合金。因此，實(shí)驗(yàn)制備的60Nb-25Ti-15Ni樣品是一種原位自生的NbTi-NiTi 記憶合金復(fù)合材料，且復(fù)合界面為冶金結(jié)合，界面結(jié)合牢固，NbTi能夠?qū)iTi形成有效約束。

圖1 NiTi-NbTi復(fù)合材料經(jīng)500℃時(shí)效20 min后的SEM像和DSC測試曲線

2.2 約束態(tài)完全逆相變內(nèi)耗、動態(tài)模量測試

圖2(a)所示為經(jīng)過不同預(yù)變形的NbTi-NiTi復(fù)合材料的內(nèi)耗?溫度曲線(只有加熱過程)。每個(gè)樣品都被加熱到350 ℃，可以認(rèn)為加熱至這個(gè)溫度后逆相變已完全結(jié)束。由于NiTi記憶合金在相變過程中會增加大量的相界面和界面運(yùn)動，使材料內(nèi)耗升高，在測試曲線上出現(xiàn)阻尼峰，故材料的相變行為可通過阻尼峰體現(xiàn)出來。由圖2(a)可見，在NbTi基體約束下，材料的阻尼峰都很寬，其中預(yù)變形量3.3%樣品的阻尼峰橫跨了近200 ℃的溫度范圍，即樣品可以在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)高阻尼。且可以看出，隨著預(yù)變形量的增加，阻尼峰的峰值溫度和峰寬都會增加。這些規(guī)律和以往關(guān)于約束態(tài)逆相變研究的DSC測試結(jié)果規(guī)律相同[28]，通常與兩方面因素有關(guān)：1) 室溫下NiTi記憶合金處于馬氏體狀態(tài)，預(yù)變形過程會釋放馬氏體中的部分彈性應(yīng)變能，而逆相變過程中，彈性應(yīng)變能是驅(qū)動力。因此，預(yù)變形量越大，釋放的彈性應(yīng)變能越多，逆相變驅(qū)動力越小，則需要越高的溫度驅(qū)動相變，導(dǎo)致相變峰值溫度向高溫移動。2) 約束態(tài)加熱過程中，預(yù)變形的NiTi要收縮，卻受到NbTi基體的約束，產(chǎn)生了回復(fù)力，進(jìn)而阻礙了逆相變的繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致原本在較低溫度下發(fā)生的相變只能被迫在更高溫度下進(jìn)行。加熱過程中，隨著溫度的一再升高，回復(fù)力因相變轉(zhuǎn)變量的逐漸增加而持續(xù)升高，其對逆相變的阻礙作用也變得越來越顯著，剩余馬氏體的逆相變被不斷提升至更高的溫度下進(jìn)行，導(dǎo)致約束態(tài)逆相變溫度區(qū)間被大大拓寬。因此，預(yù)變形量越大，回復(fù)力增長越顯著，相變溫度區(qū)間也越寬。圖2(b)所示為各樣品的動態(tài)模量—溫度曲線。各曲線的“谷底”與圖2(a)的阻尼峰相對應(yīng)。其變化規(guī)律和機(jī)制與內(nèi)耗曲線相同。

圖2(c)和(d)分別為同一樣品(4.3%預(yù)變形量)第一次和第二次被加熱到250 ℃的內(nèi)耗(動態(tài)模量)?溫度曲線。由圖2(c)可見，第一次加熱過程中，阻尼峰跨越約200 ℃的溫度區(qū)間，峰值溫度超過100 ℃。然而，如圖2(d)所示，在第二次加熱過程中，阻尼峰不僅峰值溫度明顯降低，峰的寬度也顯著變窄。這一現(xiàn)象在過去通過DSC測試對約束態(tài)相變的研究中也有體現(xiàn)，通?？山忉尀樵陬A(yù)變形前樣品中，NiTi記憶合金處于自適應(yīng)馬氏體狀態(tài)，預(yù)變形將自適應(yīng)馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蝰R氏體，同時(shí)釋放了部分彈性應(yīng)變能(逆相變驅(qū)動力)。因此，第一次加熱過程中這些取向馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r(shí)的相變峰值溫度較高。然而，在第一次冷卻過程中，母相正相變?yōu)轳R氏體，并且這些馬氏體中的絕大部分在形成過程中通過變體適應(yīng)性協(xié)調(diào)，重新儲存了彈性應(yīng)變能，形成了自適應(yīng)馬氏體(而并非取向馬氏體)。那么，第二次加熱過程的阻尼峰主要是由自適應(yīng)馬氏體逆相變所形成的，而自適應(yīng)馬氏體儲存的彈性能更高，逆相變更容易，因而相變阻尼峰的峰值溫度更低。同時(shí)，由于自適應(yīng)馬氏體在約束態(tài)相變中對回復(fù)力的貢獻(xiàn)很小，而根據(jù)上一段的描述，回復(fù)力越大，相變溫度區(qū)間越寬，因此，第二次加熱過程中，阻尼峰寬度也顯著變窄。不過，即便如此，在NbTi基體的有效約束下，第二次加熱阻尼峰的寬度仍能達(dá)到近100 ℃的溫度范圍(如圖2(d)所示)，相對于自由態(tài)NiTi記憶合金近20℃左右的相變溫度范圍而言，仍拓寬了許多，而且第二次加熱以后材料的完全相變阻尼行為基本穩(wěn)定(都與圖2(d)基本一致，文中未再放圖)，因此，約束態(tài)相變可以有效拓寬記憶合金相變阻尼溫度區(qū)間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的寬溫域高阻尼特性。

圖2 NiTi-NbTi復(fù)合材料的約束態(tài)完全逆相變內(nèi)耗和動態(tài)模量測試

2.3 約束態(tài)不完全逆相變內(nèi)耗、動態(tài)模量測試

圖3(a)所示為預(yù)變形5.3%樣品不完全逆相變加熱過程的內(nèi)耗?溫度曲線。在3次熱循環(huán)過程中，該樣品分別被加熱至150 ℃、250 ℃和350 ℃后，降溫到室溫。由圖3(a)可以看出，樣品第一次加熱停止于150 ℃時(shí)，阻尼峰剛過一半，逆相變并未結(jié)束。而第二次加熱過程中，內(nèi)耗曲線出現(xiàn)雙峰：低溫峰的對應(yīng)溫度和峰高度都明顯低于第一次加熱過程出現(xiàn)的阻尼峰；而高溫峰幾乎恰恰開始于第一次不完全逆相變加熱的停止溫度(150 ℃)。這一現(xiàn)象與DSC測試中出現(xiàn)的溫度記憶效[20]應(yīng)完全一致。第三次加熱過程中，內(nèi)耗曲線又恢復(fù)了單峰，其峰值溫度與第二次加熱過程中的低溫峰幾乎一樣，但峰高度明顯加強(qiáng)。在溫度達(dá)到 250 ℃，即第二次不完全逆相變加熱的停止溫度之后，難以分辨是否存在新的高溫峰，即僅從第三次加熱的內(nèi)耗?溫度曲線上難以看出溫度記憶效應(yīng)。這說明在250 ℃逆相變已基本結(jié)束。

該樣品在這三次不完全逆相變加熱過程的動態(tài)模量?溫度曲線也出現(xiàn)了類似的變化規(guī)律，如圖3(b)所示。第一次加熱過程中，動態(tài)模量曲線先隨溫度升高而降低，在點(diǎn)到達(dá)谷底后快速升高，并中斷于點(diǎn)。第二次加熱過程中，曲線谷底()的溫度和深度都明顯低于點(diǎn)。而且在曲線到達(dá)谷底()后，隨著溫度升高，出現(xiàn)階梯式升高現(xiàn)象：在段模量的增長速率較高，而′段則相對平緩。經(jīng)過第一次加熱停止溫度 150 ℃(′)后，模量增長速率再次明顯提高，曲線′就好像是第一次加熱曲線中段的延續(xù)。這使得′成為一個(gè)可以明顯分辨的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且其對應(yīng)溫度恰恰是第一次加熱停溫度。因此，即使丟失第一次熱循環(huán)數(shù)據(jù)，仍可以從第二次加熱的動態(tài)模量?溫度曲線上通過′點(diǎn)判別出第一次不完全逆相變加熱停止溫度?？梢姡@一現(xiàn)象是溫度記憶效應(yīng)在動態(tài)模量測試中的表現(xiàn)。第三次加熱過程中，當(dāng)溫度達(dá)到第二次加熱停溫度250 ℃后(′)，模量曲線斜率變化并不明顯，這與內(nèi)耗測試的情況相同。

圖3 NiTi-NbTi復(fù)合材料的約束態(tài)不完全逆相變內(nèi)耗、動態(tài)模量測試

圖3(a)中內(nèi)耗曲線在不完全逆相變熱循環(huán)過程中的變化機(jī)制通?？赏ㄟ^示意圖(見圖4)說明：加熱前的樣品處于取向馬氏體(POM)狀態(tài)，如圖4(a)所示。當(dāng)被第一次加熱至150 ℃過程時(shí)，逆相變并沒有結(jié)束，只有部分取向馬氏體(POM)逆相變?yōu)槟赶?)，如圖4(b)所示。而這些母相()在第一次冷卻過程中又形成了自適應(yīng)馬氏體(SAM)，并重新儲存了彈性應(yīng)變能，如圖4(c)所示。由于所儲存彈性能的不同，新形成的SAM與樣品中尚未相變的POM的相變溫度并不相同，因此在第二次加熱過程中出現(xiàn)了雙阻尼峰。第二次加熱過程中，當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃前，由第一次冷卻過程中新形成的自適應(yīng)馬氏體SAM先發(fā)生逆相變(如圖4(d)所示)，形成了雙峰中的低溫峰。由于SAM儲存的彈性應(yīng)變能比取向馬氏體POM高，逆相變更容易，因此該低溫峰對應(yīng)溫度明顯低于第一次加熱過程的阻尼峰溫。當(dāng)溫度達(dá)到并超過150 ℃后，在第一次加熱過程中被中斷而未能繼續(xù)相變的取向馬氏體POM開始逆相變，出現(xiàn)了高溫峰，因此，高溫峰的開始溫度恰恰反映了第一次不完全逆相變的加熱停止溫度。這即是溫度記憶效應(yīng)在內(nèi)耗測試中的表現(xiàn)。當(dāng)加熱到250 ℃后，逆相變基本結(jié)束，樣品完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱四赶啵鐖D4(e)表示。第二次冷卻后，母相主要轉(zhuǎn)變?yōu)樽赃m應(yīng)馬氏體SAM(如圖4(f)所示)，該過程與完全相變中的第一次冷卻情況完全相同。

圖4 NiTi-NbTi復(fù)合材料的約束態(tài)不完全逆相變過程示意圖

動態(tài)模量的變化機(jī)制與之類似。根據(jù)圖4(c)和(d)可知，第二次加熱過程中(見圖3(b))，當(dāng)溫度低于′時(shí)主要由SAM發(fā)生相變。曲線中′段相對平緩，說明在點(diǎn)處SAM已消耗殆盡，由SAM引起的逆相變從點(diǎn)開始趨于結(jié)束，相變速率顯著降低，進(jìn)而產(chǎn)生了平緩的′段。而當(dāng)溫度高于′后，剩余的POM開始相變，相變速率立即提高，導(dǎo)致′段斜率突然升高，動態(tài)模量曲線出現(xiàn)了分段式升高現(xiàn)象，并表現(xiàn)出了溫度記憶效應(yīng)。類似的現(xiàn)象在以往材料內(nèi)耗和動態(tài)模量研究中尚沒有相關(guān)報(bào)道。

3 結(jié)論

1) 采用電弧熔煉、熱鍛、軋制等手段制備了一種原位自生的NbTi-NiTi 記憶合金復(fù)合材料，借助預(yù)變形和NbTi基體對NiTi的約束，使復(fù)合材料中NiTi經(jīng)歷約束態(tài)相變。

2) 完全相變測試結(jié)果表明：約束態(tài)相變使材料展現(xiàn)出寬溫域高阻尼性能；隨著材料預(yù)變形量的增加，馬氏體逆相變阻尼峰的峰值溫度升高，并且阻尼峰的寬度也隨之增加；預(yù)變形后樣品在第一次加熱過程中阻尼峰的峰值溫度較高，且阻尼峰較寬，材料能在很寬的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)高阻尼特性。而第二次加熱，阻尼峰值溫度和寬度都明顯降低。這些測試中，材料的動態(tài)模量也伴有相同的變化。

3) 不完全相變測試結(jié)果顯示：內(nèi)耗曲線出現(xiàn)雙阻尼峰，而動態(tài)模量曲線出現(xiàn)階梯式升高現(xiàn)象，且內(nèi)耗曲線和動態(tài)模量曲線都展現(xiàn)出溫度記憶效應(yīng)。

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(編輯 李艷紅)

Constraint transformation damping behavior of in-situ NbTi-NiTi composite

JIANG Jiang1, JIANG Xiao-hua2, JIANG Da-qiang2, HAO Shi-jie2, GUO Fang-min2, CUI Li-shan2, ZHANG Lin-wei1

(1. Jiangxi Key Laboratory of Advanced Copper and Tungsten Materials,Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330029, China;2. Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Changping 102249, China)

In order to obtain high damping capacity within wide temperature window by enlarging the transformation temperature window of NiTi shape memory alloy (SMA) during constraint transformation, an in-situ NbTi-NiTi composite was prepared by vacuum induction melting, hot forging and cold rolling processing. The complete and incomplete constraint transformation damping behavior of the composite was studied by a low-frequency mechanical analyzer LMA-1 testing system. The results show that the predeformed samples can exhibit high damping capacity with in a very wide temperature range, and both the peak temperature and the width of the internal peak increase with the pre-deformation level increasing. In the first heating process, the internal friction peak shows a higher peak temperature and a wider peak temperature range than that of the second heating. During the second heating process, the internal friction peak temperature decreases and the range of the peak becomes narrower than that of the first heating process. The relative modulus curves show the same variation trend. Furthermore, a stepped increasing of relative modulus curve and a peak splitting of damping curve which exhibits the temperature memory effect observed in incomplete constraint transformation.

NiTi-NbTi composite; shape memory alloy; constraint martensitic transformation

Projects (51231008, 11474362, 51401240, 51471187, 51401096, 51601001) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2013-YYB-5) supported by the PhD Programs Foundation of Jiangxi Academy of Sciences, China; Project (2013-XTPH1-33) supported by the Special Funds for Collaborative Innovation of Jiangxi Academy of Sciences, China

2016-05-23; Accepted date: 2016-10-13

CUI Li-shan; Tel: +86-10-89731158; E-mail: lishancui63@126.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.05.011

1004-0609(2017)-05-0953-07

TB34

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51231008，11474362，51401240，51471187，51401096，51601001)；江西省科學(xué)院引進(jìn)博士項(xiàng)目(2013-YYB-5)；江西省科學(xué)院普惠制項(xiàng)目(2013-XTPH1-33)

2016-05-23；

2016-10-13

崔立山，教授，博士；電話：010-89731158；E-mail：lishancui63@126.com