超细晶W/NiTi记忆合金复合材料的热稳定性及变形机制研究

Grain refinement is an effect way to improve the strength of alloys, but the refinement of grain size causes the increasement of the alloys’ free energy, resulting a poor thermal stability. So it is difficult to obtain ultrafine-grained W-based composites with high strength by liquid phase sintering. Recently, we found that the W particles have high thermal stability in NiTi alloys during infiltration, and thus obtained the W/NiTi composite with grain size of 720 nm by infiltration and hot pressing. The W particles exhibit high thermal stability during infiltration. Also, the composite exhibits high yield strength of 2.6 GPa in compressing test, which is higher than that of the reported W-based composites. This project aims to explore the mechanism of thermal stability of W particles in NiTi alloys during sintering, illuminate the martensitic transformation characteristic of the NiTi under the constrain of W particles and the deformation characteristic and mechanism of W particles in NiTi matrix deformed by lattice shear.

细化晶粒是提高合金强度的有效途径，然而晶粒细化导致合金自由能升高，热稳定性变差，因此难以采用高温液相烧结法获得高强度超细晶W基复合材料。我们最近研究发现，W颗粒反而在NiTi合金中具有高热稳定性，并利用熔渗加热压的方法获得了晶粒尺寸为720nm的超细晶W/NiTi记忆合金复合材料。初步研究表明：在熔渗过程中，W颗粒展现高热稳定性；且复合材料在室温压缩过程中，其压缩屈服强度达2.6GPa，远高于以往报道的W基复合材料的屈服强度。本项目拟探索熔渗过程中W颗粒在NiTi中的稳定化机制，阐明NiTi在W颗粒约束下的马氏体相变特征及机制，阐明W颗粒在点阵切变基体中变形特征及机制，有望获得高水平学术成果。

细化晶粒是提高合金强度的有效途径，然而晶粒细化导致合金自由能升高，热稳定性变差，因此难以采用高温液相烧结法获得高强度超细晶/细晶W基复合材料。我们最近研究发现，W颗粒反而在NiTi合金中具有高热稳定性。我们利用超细晶W粉末（W颗粒平均尺寸为494 nm）作为原材料，采用硬脂酸作为造孔剂，利用管式烧结炉采用熔渗的方法制备了W颗粒尺寸为2.62 μm的细晶W/NiTi记忆合金复合材料。研究了烧结温度及造孔剂含量对W/NiTi复合材料微观组织及力学性能的影响。利用基于扩散控制的液相烧结颗粒长大模型，从热力学上解释了W在NiTi基体中稳定性机制。从计算结果得知，W在NiTi粘结相中的长大速率为1.86 μm3/min，远小于以往文献报道的 W-NiFe 复合材料中W颗粒的长大速率（在 1480 ℃时烧结时 W 颗粒长大速率为 156 μm3/min）。同时我们还计算了W颗粒在NiTi基体中的晶粒长大激活能为330 kJ/mol，高于传统NiFe粘结相中W颗粒长大激活能（106 kJ/mol）及NiCo粘结相中的W颗粒长大激活能（162 kJ/mol）。高激活能意味着在液相烧结过程中，W在NiTi粘结相中的扩散越困难，即W在NiTi粘结相中具有更高的热稳定性。该研究成果为开发新的细晶W基及陶瓷基复合材料提供了新的思路。基于此研究成果，我们成功制备了细晶高热稳定性的NbC-CoCrFeNiMn高熵合金金属陶瓷复合材料及细晶W-CoCuFeNi高比重合金。