V對Ti-48Ni-3Fe合金組織及力學性能的影響

朱泓宇 楊慧敏

摘 要：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、光學顯微鏡（OM）、X射線衍射（XRD）、透射電鏡（TEM）等手段研究了V含量對Ti-48Ni-3Fe合金的顯微組織和力學性能的影響。結果表明：TiNiFeV合金組織主要由韌性淺色基體TiNi相和硬脆性深色第二相Ti2Ni組成，其中Fe原子優先置換基體中的Ni形成置換固溶體，V原子優先固溶于第二相形成固溶體。隨著V含量增加，枝晶結構逐漸消失，第二相呈彌散析出。對Ti-48Ni-3Fe-xV合金進行力學性能測試，結果表明：V元素的加入可有效提高Ti-48Ni-3Fe的抗壓強度，強化效果在V原子數分數為2.5%時最佳，抗壓強度為3310MPa。V元素的加入還可有效提高Ti-48Ni-3Fe的硬度，強化效果在V原子數分數為1.5%時最佳，為849.97Hv0.2。

關鍵詞：記憶合金;V合金化;顯微組織;力學性能

DOI：10.15938/j.jhust.2021.04.002

中圖分類號：TG139.6

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2021）04-0009-05

Abstract：The effect of V content on the microstructure and mechanical properties of Ti-48ni-3fe alloy was studied by means of scanning electron microscope（SEM）， optical microscope（OM） and X-ray diffraction（XRD） It is dissolved in the second phase to form solid solution. With the increase of V content， the dendrite structure gradually disappeared and the second phase was dispersed. The mechanical properties of Ti-48Ni-3Fe-xV alloy were tested. The results show that the addition of V element can effectively improve the compressive strength of Ti-48Ni-3Fe alloy. The best strengthening effect is when the V content is 2.5at.%， and the compressive strength is 3，310 MPa. The hardness of Ti-48Ni-3Fe can also be improved by adding V element. The best strengthening effect is 849.97Hv0.2 when V content is 1.5at.%.

Keywords：shape memory alloy; V alloying; microstructure; mechanical properties

0 引 言

低溫形狀記憶合金因其相變溫度低、力學性能高、形狀記憶效應良好的特點，在航空工業中被廣泛應用于制造飛機液壓管接頭 [1-7]。目前應用較廣的有Cu-Al-Mn基和Ti-Ni-Fe基2種基體的低溫形狀記憶合金[8-10]。由于Cu基合金母相材料具有高度有序性和強各向異性，因此機械加工困難、晶粒粗大，逐漸被加工性能優異的Ti-Ni-Fe基低溫形狀記憶合金取代[11，12]。Ti-Ni-Fe形狀記憶合金由于抗拉強度、抗壓強度較好，延伸率較高，耐蝕性和耐磨性優良，可作為理想的結構材料[13-15]。Ti-Ni-Fe合金因其馬氏體相變溫度MS較低，即使在較低溫度，Ti-Ni-Fe合金管接頭也不會由于溫度低于MS產生馬氏體相變而松動，因此航空工業液壓系統廣泛應用Ti-Ni-Fe形狀記憶合金制成的管接頭進行管路連接[16-18]。隨著管接頭的力學性能要求逐漸提高，如何在保持現有馬氏體相變溫度下提高力學性能目前是低溫記憶合金研究的重要方向之一。

目前，對Ti-Ni-Fe基合金的研究主要集中在Ti-Ni-Fe三元合金的組織及性能研究，但對Ti-Ni-Fe基四元合金組織及性能方面的研究較少，因此，本課題的研究對四元低溫形狀記憶合金的發展具有重要意義。本文通過在Ti-Ni-Fe三元形狀記憶合金中添加不同含量的V元素，研究V含量對Ti-Ni-Fe-V四元合金的組織及性能的影響，以期獲得具有較好綜合性能的Ti-Ni-Fe-V四元低溫形狀記憶合金，并為低溫形狀記憶合金的進一步應用奠定一定試驗和理論基礎。

1 試驗材料及試驗方法

本文所用原料分別為零級海綿Ti、高純Ni粒、高純Fe、高純V（純度均為99.99%）。按照表1所示比例利用電子天平（精確到0.01g）稱量，總質量約為30g。合金錠的制備是利用高真空非自耗電弧熔煉設備，坩堝為水冷銅坩堝。熔煉時先通過機械泵將真空度抽至5Pa，關閉機械泵，打開分子泵將真空度抽至5×10-3Pa，通入氬氣至-0.5Pa作為保護氣體。合金熔煉時，控制鎢極距鈕扣錠的距離在5mm左右并不斷晃動鎢極，促使合金熔體充分流動，保證成分均勻。熔煉完成后用爐內機械手翻轉鈕扣錠重復熔煉，每個鈕扣錠至少反復熔煉3次以上，以保證不同組元合金完全熔化成分均勻。

金相試樣經打磨和拋光后使用腐蝕劑（HF、HNO3、H2O的分子比為1∶3∶7）腐蝕，然后使用DV320立式顯微鏡來觀察宏觀組織并使用Apreo C型掃描電鏡觀察微觀組織。采用X′pert Pro型X射線衍射儀進行物相標定，將鑄態試樣加工成壓縮試樣，壓縮試驗使用型號MST-200型電子萬能拉伸試驗機，壓縮試樣尺寸為Φ6mm×6mm，壓縮速率為1mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 V對TiNiFeV合金組織的影響

2.1.1 V對TiNiFeV合金光學顯微組織影響

圖1為不同成分的形狀記憶合金鑄態顯微組織，由圖1（a）可見，Ti-48Ni-3Fe合金組織由淺色基體和深色第二相組成，由于熔煉過程使用的水冷銅坩堝，導熱速度非常快，導致鑄錠底部溫度下降速度遠高于頂部，底部的溫度較低，晶粒由低溫向高溫方向生長，在溫度梯度的作用下，形成了柱狀晶。由圖1（b）可見，V元素原子數分數為0.5%時，枝晶較為粗大，能明顯觀察到枝晶形貌。由圖1（c）可見當V原子數分數為1%時，枝晶形貌模糊。隨著V原子數分數增高到1.5%～3%，無法觀察到枝晶組織，第二相呈彌散析出。因為TiNi為立方點陣結構，枝晶與枝晶臂夾角為90°，圖中Fe、V原子存在部分固溶，因此枝晶與枝晶臂夾角接近90°。

2.1.2 V對TiNiFeV合金SEM組織形貌的影響

為進一步確定合金組織，利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀分別對Ti-48Ni-3Fe、Ti-48Ni-3Fe-3V合金進行觀察及分析，由圖2（a）、（b）、（c）可知，在Ti-48Ni-3Fe合金中，基體Ti與（Ni+Fe）原子百分比約為1∶1，第二相Ti與（Ni+Fe）原子百分比約為2∶1，所以基體為Fe原子取代部分Ni原子的Ti（Ni，Fe）相，第二相為Fe原子取代部分Ni原子的Ti2（Ni，Fe）相，與文獻結果[14-15]一致。由圖3（a）、（b）、（c）可知，在Ti-48Ni-3Fe-3V合金中，基體（Ti+V）與（Ni+Fe）原子百分比為1∶1，第二相（Ti+V）與（Ni+Fe）原子百分比為2∶1。

由圖2（d）、圖3（d）XRD中未能看到新相生成，由于Fe、V原子均發生固溶，因此無新相產生。TiNi相為一種體心立方的B2結構，8個Ti原子構成正六面體，Ni原子占據立方體心位置（1/2，1/2，1/2）。B2相是體心立方結構，晶格常數a=b=c，V、Fe的固溶導致了晶格常數的畸變，因此圖中峰的衍射角度較標準峰位都有偏移 [19]。

利用掃描電鏡對合金組織進行線掃描，如圖4所示。由圖4（a）可以看到Ti含量在深色相所在區域明顯升高，而Ni含量則明顯降低。由于Fe、V原子百分比相對于Ti、Ni來說較小，由圖4（a）難以直觀看到Fe、V含量變化趨勢，將Fe、V元素線掃描濃度單獨列出，如圖4（b）所示。

由圖4（b）可以看到在深色相位置Fe元素含量略微降低，而V含量則明顯升高，在TiNi形狀記憶合金中加入Fe、V后，Fe優先取代基體中Ni原子，V優先取代第二相中原子，形成置換固溶體。

為進一步確認其合金的微觀結構，對合金進行了透射電子顯微觀察（TEM），如圖5所示。

由圖5（a）可以看到有灰色基體相和塊狀析出相，圖5（a）中顯示深色相的尺度在2μm左右。通過選區衍射進一步確定其結構如圖5（c），從其衍射花樣可知其結構為面心立方結構。從其衍射花樣圖5（b）可知其結構為體心立方B2結構。Fe置換了基體和第二相中等原子量Ni，且優先置換基體中的Ni[20]。

2.2 V元素對Ti-48Ni-3Fe合金力學性能的影響

2.2.1 V元素對Ti-48Ni-3Fe合金硬度的影響

由圖6可以看到V元素原子數分數從0增加到0.5%，硬度有明顯提高，隨著V含量的增加，硬度呈先增大后減小趨勢，Ti-48Ni-3Fe-1.5V硬度最大，為849.97Hv0.2。分析原因是由于V置換部分Ni原子形成置換固溶體從而固溶強化合金，所以硬度增大，而加入過量的V導致Ti2Ni相減少，硬度下降。

2.2.2 V元素對Ti-48Ni-3Fe合金抗壓強度的影響

由圖7可見，加入V元素對Ti-48Ni-3Fe合金抗壓強度起到提高作用，強化效果在V原子數分數為2.5%時最佳，抗壓強度為3310MPa。這是由于V原子取代部分Ni原子，對合金起到一定固溶強化作用，且固溶強化優于第二相強化，所以合金抗壓強度增加。

抗壓強度整體呈上升趨勢，但由于抗壓強度受多個因素耦合作用，枝晶尺寸大小、第二相彌散程度等影響因素均會導致抗壓強度發生變化，故出現一定程度波動。例如，V原子數分數從2.5%升高到3%時抗壓強度下降，結合金相組織可以看到，在V含量從2.5%升高到3%時，第二相占比明顯下降，導致抗壓強度降低。

V含量對抗壓強度和硬度影響規律不一致，由于硬度和抗壓強度均受多個因素影響，結合金相組織可知，第二相彌散作用對硬度影響程度較大，而抗壓強度受基體占比影響較大，因此規律不一致。

3 結論

1）TiNiFeV合金組織主要由韌性淺色基體TiNi相和硬脆性深色第二相Ti2Ni組成，其中Fe原子優先置換基體中的Ni形成置換固溶體，V原子優先固溶于第二相形成固溶體。隨著V含量增加，枝晶結構逐漸消失，第二相呈條狀均勻分布。

2）在Ti-48Ni-3Fe合金中添加V元素可有效提高合金的硬度，硬度在V原子數分數為1.5%時最佳，為849.97Hv0.2。

3）在Ti-48Ni-3Fe合金中添加V元素可有效提高合金的抗壓強度，抗壓強度在V原子數分數為2.5%時最佳，抗壓強度為3310MPa。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）