多孔NiTi形状记忆合金中异常的三阶段马氏体相变行为

摘要

NiTi形状记忆合金是目前应用最为广泛的形状记忆合金体系之一,这是因为NiTi合金具有优良的形状记忆效应、超弹性和生物医学性能.最近,多孔NiTi形状记忆合金引起大家的注意,这是因为多孔NiTi记忆合金不但继承了致密NiTi合金的优良性能,还由于孔洞的存在,允许组织细胞的内生长,营养和药物的输送,使得它比致密的NiTi合金具有更好的生物兼容性和生物力学兼容性.从而使得多孔NiTi合金在医学具有很好的应用前景.由于形状记忆效应和超弹性与NiTi合金中的马氏体相变具有密切关系,想要正确应用这些性能,就必须充分研究其马氏体相变行为.最近,在研究时效的富镍NiTi形状记忆合金的相变行为时,经常能在冷却过程中的DSC曲线中观察到三个峰.相对于正常的两阶段马氏体相变行为(B2-R-B19'),这种异常的三阶段马氏体相变行为吸引了大家的广泛注意力.世界上的各个研究小组纷纷对这种现象加以研究,并给出自己的解释.到目前为止,最令人信服的解释为:异常的三阶段马氏体相变行为是由于品界处和品粒内部的Ni4Ti3相析出动力学差异所造成的,这种差异又是由于母相中的Ni过饱和固溶度所造成的.目前,对多孔NiTi形状记忆合金的研究主要还集中在制备方法和力学性能测试,对马氏体相变行为的研究还较少.本研究中,采用不封装的热等静压法(capsulefreehotisostaticpressing,CF-HIP)制备出不同成分和不同孔隙度的多孔NiTi形状记忆合金,并采用差热扫描分析(DSC)法研究了多孔NiTi形状记忆合金时效后的马氏体相变行为.发现烧结工艺、成分和孔隙度对多孔NiTi形状记忆合金的马氏体相变行为有很大的影响.对于Ti-50.8at.﹪Ni多孔NiTi合金,短时间烧结(1小时)而成的样品展现出异常的三阶段马氏体转变现象,而长时间烧结而成的合金只表现出正常的两阶段马氏体转变现象,如图1所示.通过扫描电镜观察其微观结构发现,短时烧结的样品成分非常不均匀,除了NiTi相外,还有大量的Ni3Ti和Ti2Ni相存在,甚至还要少量的Ti存在.而在长时间烧结的样品中,成分较为均匀,主要是由大量的NiTi相和少量的Ti2Ni相组成.造成这种马氏体相变行为的差异被认为是母相B2相的分布不均匀,导致Ni4Ti3相析出不均匀所致.对于Ti-50at.﹪Ni多孔NiTi合金,采用相同烧结工艺制备出不同孔隙度的样品中,发现孔隙度较低的多孔样品展现出异常的三阶段马氏体转变行为,而在孔隙度高的样品中展现出正常的二阶段马氏体转变行为,如图2所示.这被认为是孔隙造成Ni4Ti3相在B2相中析出不均匀性所致.在孔隙低的样品中,稀疏分布的孔洞周围易于Ni4Ti3相析出,从而造成Ni4Ti3相分布不均匀.首先在Ni4Ti3相周围完成两阶段的马氏体转变(B2-R-B19'),然后在没有Ni4Ti3相析出的地方完成B2-B19'转变,所以为三阶段的马氏体转变.而在孔隙度高的样品中,孔洞较多且分布均匀,使得Ni4Ti3相分布均匀,从而造成两阶段的马氏体转变(B2-R-B19').