Ti-Ni形狀記憶合金薄板的試制

供稿|程偉，楊哲，楊晗，丁五洲 / CHENG Wei, YANG Zhe, YANG Han, DING Wu-zhou

內容導讀

鈦鎳形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在一定溫度下自動恢復原始形狀的特殊合金。本文研究了Ti-Ni形狀記憶合金薄板的制備工藝，主要通過雙真空熔煉、鍛造、熱軋、冷軋等加工工藝過程成功試生產出厚度為0.6 mm、物理性能和化學性能優越的鈦鎳合金薄板材。結果表明，熱軋時要注意中間換向，使得晶間的變形更加均勻，改善合金的可加工性，消除薄板表面細微裂紋；冷軋時，通過多道次軋制和頻繁的中間退火，道次變形量控制在1%～2%，總變形量控制在25%～30%，為批量生產奠定了良好的工藝基礎。

鈦鎳形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在一定溫度下自動恢復原始形狀的特殊合金，其特殊的組織決定此類金屬具有一定延展性、耐磨性、抗腐蝕、超彈性等優異的特性。其伸縮率在20%以上，疲勞壽命達1×107h，阻尼特性比普通的彈簧高10倍[1]，因此廣泛應用于工業生產和醫學等方面。自20世紀60年代發現鈦鎳形狀記憶合金，便引起了科研人員的極大興趣，并逐步在一些領域得到了應用。隨著研究的深入，鈦鎳合金的各類加工手段不斷拓寬，產品類型也多種多樣。目前，國內對于鈦鎳合金的加工主要集中在絲材、棒材、鍛件、板材等方面，而厚度＜1 mm的薄板材鮮有報道。此次鈦鎳形狀記憶合金薄板試制不但將合金成分控制在更窄的范圍內，并且對H、O、N三種雜質元素進行了很好控制。最終通過進一步加工，生產出化學成分及力學性能均能達到YS/T1076—2015要求的鈦鎳形狀記憶合金薄板成品。本試驗從熔煉、鍛造、軋制的工藝路線開展，并參考了鈦鎳合金絲材生產的一些工藝參數，從而成功試制出厚度0.6 mm的鈦鎳合金薄板。

試驗方法

試驗工藝路線為：真空感應熔煉+真空電弧熔煉—鍛造—軋制。將雙真空熔煉的鑄錠切除頭尾，然后車光，再經過空氣錘鍛打(鍛后扒皮)、熱軋至2 mm左右(軋制過程須換向)，進一步通過冷軋結合中間退火，得到試制要求的鈦鎳合金薄板，最終經過真空熱處理及分析檢測，成功制備出表面良好、性能合格的Ti-Ni形狀記憶合金薄板。

結果與分析

熔煉

采取真空感應熔煉+真空電弧熔煉(VIM+VAR)的方式。此工藝需要適當控制冶煉溫度和精煉時間，這樣能夠有效地控制雜質含量。在熔煉過程中，隨著金屬液與坩堝間較長時間接觸并未因此引起碳含量的增加，原因是坩堝內壁形成一層光滑致

密的薄膜，在熔煉中它有效地阻擋了Ti-Ni液相與固相界面間碳原子的擴散。此外，嚴格把關原材料的使用狀況，通過改變合金加入方式，能夠更好地控制合金成分。采用特殊材質的坩堝，將使得雜質元素(H、O、N)控制在較低水準。結合兩步法熔煉，試制的鈦鎳合金鑄錠組織均勻，易加工，且成分更加優越。圖1為扒皮后的鈦鎳合金鑄錠，化學成分如表1所示。

圖 1 Ti-Ni合金鑄錠

表 1 Ti-Ni合金成分(質量分數，%)

鍛造及軋制

鍛造

鈦鎳合金熱加工性較好，故采用的加工手段主要有鍛造、軋制、擠壓、拉伸等，可滿足各種類型產品的生產加工。鈦鎳合金鑄錠本身不具備記憶效應，且塑性較差，須通過90%以上的形變之后才能細化晶粒。由于合金變形抗力大，對加熱溫度敏感，故本文采用的鍛造工藝為自主工藝[2]。鍛造加熱(電爐)采用階梯性升溫工藝，低于500 ℃裝爐，中間保溫結束后，最終升溫至850 ℃進行一定時間的保溫。兩火鍛造(750 kg空氣錘)合金板坯，坯料表面質量良好，沒有裂紋等缺陷。加熱前進行防氧化涂層(自然陰干)。圖2為扒皮后的鈦鎳合金板坯。

圖 2 Ti-Ni合金板坯

熱軋

鍛后的合金坯料，具有了一定的高溫延展性。通常Ti-Ni合金的熱加工溫度區域在700～850 ℃范圍內，隨著溫度升高，合金抗拉強度降低，伸長率升高，變形抗力減小。溫度高于900 ℃時，合金表面會發生劇烈氧化，并且迅速向合金內部擴散，生成NiTi-Ti4Ni2O低熔點混合物，使合金變脆[3]。

此試驗采用850 ℃作為軋制溫度，加熱前采用防氧化保護涂層，避免過度氧化，利于金屬成型操作。低于500 ℃時裝爐，待爐溫為850 ℃時開始保溫，保溫結束后，通過650 mm軋機多火次軋制，最終軋至厚度為2 mm，圖3為鈦鎳合金熱軋板。軋制效果良好，無裂紋、折疊等缺陷。

圖 3 Ti-Ni合金熱軋板

冷軋

Ti-Ni合金在Ms溫度附近時，合金的屈服強度處于最小值，因此是最佳的冷加工范圍。但冷加工一定形變量后，合金的馬氏體明顯產生加工硬化，為進一步的加工，必須使合金完全再結晶，才能保持一定的加工性能。因此，合金冷軋過程中的中間退火為關鍵工序。本次制備的鈦鎳合金Ms溫度低于室溫，故先將合金加熱到750 ℃以上保溫一定時間，確保其組織轉變為母相，完全再結晶和固溶。此外，為得到足夠的馬氏體，須進行中溫時效，其目的是通過第二相的析出，充分降低合金中的Ni含量，明顯提高合金的Ms溫度。因而，Ti-Ni形狀記憶合金板材冷軋過程雖然采取了中間退火，但仍有較大的加工硬化。故本文規定Ti-Ni形狀記憶合金板材冷軋不許采取大變形量，嚴格控制道次形變量，兩次退火間的總形變量控制在30%左右[4]。

Ti-Ni形狀記憶合金板材的冷加工性能很差，很容易加工硬化。本次試制通過熱加工產生大形變量直至接近成品規格時，經過中間退火后再冷軋至成品名義尺寸。冷加工必須控制一定的變形量，如果變形量太大將發生斷裂。合金冷軋板完全退火后的屈服強度低于100 MPa，進行30%左右的變形后，屈服強度急劇上升至1000 MPa左右，因此冷加工成本較高。Ti-Ni合金薄板在625 ℃時開始再結晶，725 ℃再結晶完成，其消除應力退火溫度為650 ℃左右。

綜上所述，Ti-Ni形狀記憶合金板材的冷加工性能差。冷軋制時，道次壓下量過大時合金板材易開裂，甚至會造成合金板的飛裂。因此，此次冷軋通過多道次軋制和頻繁的中間退火，最終獲得成品尺寸的薄板。道次變形量控制在1%～2%之間，單火次的變形量控制在25%～30%之間。中間退火溫度低于熱加工溫度，本文采用的是(680±10) ℃，緩冷至室溫。圖4為0.6 mm的最終成品[5]。

圖 4 Ti-Ni合金：(a)薄板成品；(b) 冷軋態金相照片

對于冷軋后的合金取樣分析，見圖4(b)。可見其加工組織及析出第二相沿著軋制方向分布均勻，無裂紋、氣孔、夾雜等明顯缺陷。另外，取力學性能試樣經熱處理，分析合金的力學性能，結果如表2所示，完全滿足YS/T1076—2015要求。

結束語

本次試驗采用真空感應熔煉+真空電弧熔煉(VIM+VAR)的方式制備鈦鎳合金鑄錠，通過后續加工工藝路線，研發試制的Ti-Ni合金薄板化學成分、力學性能、金相組織等均能夠達到YS/T1076—2015的要求，且各項指標均處于較高水準，為批量生產奠定了良好的工藝基礎。