Ni含量對鎳鈦合金（NiTi）的力學性能影響

前言

鎳鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、超彈性、形狀記憶效應、高比強度、低彈性模量、生物相容性等特點，因而作為一種智能材料被廣泛應用在醫(yī)學和工程材料領域。目前，鎳鈦合金的主要制備方法有放電等離子燒結(jié)（SPS）、熱等靜壓（HIP）、自蔓延高溫合成（SHS）、金屬注射成型（MIP）、微波燒結(jié)等。與其他粉末冶金工藝相比，放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)是利用粉末顆粒的等離子放電，并使粉末顆粒表面活化的快速燒結(jié)技術(shù)，具有升溫速度快、燒結(jié)時間短、加熱均勻、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、致密度高等優(yōu)點。因此，用放電等離子燒結(jié)工藝制備鎳鈦合金是一種簡單、高效的方法。

實驗條件

實驗所用原材料為純度 99.99%的鈦粉和純度 99.98%鎳粉。首先按照鎳粉的質(zhì)量分數(shù)分別為 0%、45%、50%、55%、60%、65%的比例稱取粉末，之后進行球磨混粉，球磨工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速 200 r/min，球料比為10:1，球磨時間為 16 h。隨后采用放電等離子燒結(jié)法將混合后的粉末燒結(jié)成型，燒結(jié)工藝為：燒結(jié)溫度為 1000 ℃，保溫 10 min 后隨爐冷卻，燒結(jié)過程中始終保持壓力 50 MPa。

SEM/EDS分析

通過對比顆粒的微觀形貌可以明顯看出相同球磨時間下粉末顆粒的粉末形狀沒有發(fā)生顯著變化。但是與球磨前粉末相比，粉末顆粒的尺寸有所減小。由于球磨過程中粉末顆粒不斷碰撞和摩擦，導致顆粒產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)過長時間球磨粉末顆粒會發(fā)生脆性斷裂，因此球磨后粉末顆粒尺寸有所減小。

燒結(jié)后 NiTi 合金的性能

力學性能

燒結(jié)后 NiTi 合金的顯微硬度如下圖所示。對于含0% Ni 的試樣，其值為 4112.5 MPa。隨著鎳含量增加到 50%，顯微硬度分別增加了41.57%和 44.31%。在鎳含量超過 50%時，試樣的顯微硬度呈現(xiàn)相反的趨勢。這種趨勢與合金中 α-Ti、NiTi、NiTi2 和 Ni3Ti 相的硬度密切有關(guān)，4 種相的顯微硬度順序是 NiTi2＞Ni3Ti＞NiTi＞α-Ti

（NiTi2：7000 MPa；Ni3Ti：6100 MPa；NiTi：5000 MPa；α-Ti：2120 MPa）。

由下圖可知，4 種相的含量各不相同，含 50% Ni 的試樣中存在 NiTi、NiTi2 及 Ni3Ti 3 種比較硬的相，因此其硬度值最大, 為5930 MPa。在 Ni 含量超過 50%時，最硬的 NiTi2相消失，只有比較軟的 Ni3Ti 和 NiTi 相。所以試樣的顯微硬度值隨著鎳含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。同時注意到 NiTi 合金的顯微硬度比 Ti-0%Ni 的高。這是因為添加鎳元素會形成硬的金屬間化合物 NiTi2 和 Ni3Ti 相，在合金基體中 NiTi2 和 Ni3Ti 顆粒起到釘扎的作用并阻礙位錯的運動，從而提高材料的硬度。

摩擦學性能

富鈦的 NiTi 合金具有高于室溫的轉(zhuǎn)變溫度，而富鎳的NiTi 合金表現(xiàn)出相反的趨勢，因此，Ti-45%Ni 和Ti-50%Ni 的試樣會形成少量的 B19-NiTi 相，從而導致其摩擦系數(shù)比其他的試樣高。燒結(jié)試樣磨損率的變化趨勢如下圖所示，隨著鎳含量的增加，磨損率從1.45×10-5 mm3 ·(N·m)-1 降低到 0.41×10-5 mm3 ·(N·m)-1。

鎳含量超過 55%時，磨損率基本保持在0.41×10-5 mm3 ·(N·m)-1。這說明添加一定量的鎳可以提高材料的耐磨性。

這種變化趨勢可以解釋如下：首先彈性模量和硬度的比值（E/H）是控制磨損的關(guān)鍵參數(shù)，其比值越低，材料的耐磨性越好。下表為 NiTi 合金的壓縮彈性模量和顯微硬度的比值（E/H），Ti-0%Ni 的 E/H 值最高，而不同鎳含量的 NiTi 合金 E/H 值都在 0.2 左右。其次在摩擦界面處會形成鈦的氧化物，然而鈦的氧化物具有提高材料耐磨性的作用。這一點由 NiTi 合金磨損表面的 EDS 成分分析可知。