文摘

助教的影响增加铜铝镍形状记忆合金的微观结构和性能研究。助教的绿色和气孔密度显著影响;孔隙度的最小百分比观察与修改后的预制合金铜- al -镍- 2.0 wt。%的助教。相变温度后转向价值最高的助教是补充道。根据合金的阻尼能力的结果,cu - al - ni - 3.0 wt。%助教有很高的内部摩擦的最大等效内摩擦价值两倍的铜铝镍SMA预制合金。此外,铜铝镍sma材料预制合金的2.0 wt。% Ta展出形状恢复率最高的第一个周期(即。,100% recovery), and when the number of cycles is increased, this ratio tends to decrease. On the other hand, the modified alloys with 1.0 and 3.0 wt.% Ta implied a linear increment in the shape recovery ratio with increasing number of cycles. Polarization tests in NaCl solution showed that the corrosion resistance of Cu-Al-Ni-Ta SMA improved with escalating Ta concentration as shown by lower corrosion current densities, higher corrosion potential, and formation of stable passive film.

1。介绍

铜元素形状记忆合金被认为是未来的材料应用包括高阻尼能力材料、传感器和执行机构。铜铝镍合金特别是透露是适用于高温应用由于其高温热稳定性增加,也就是说,高于373 K (100°C) [1,2]。铜铝镍合金相比之下,由典型的铸造方法不得不忍受的问题作为响应关键脆性大晶粒尺寸(约几毫米)连同大弹性各向异性(3- - - - - -5]。出于这个原因,许多努力都旨在提高传统铜铝镍合金铸造的延性通过晶粒细化的第四个元素,包括钛、锆、Mn, B, Y, V, Co和稀土金属6- - - - - -10]。铜铝镍合金的晶粒尺寸产生被发现从大约100年到800年不等μm。整个合金添加晶粒细化显示增强铜铝镍合金的力学性能。另一方面,合金元素是方便燃烧(大气)融化或蒸发(真空熔炼)在执行融化过程,导致无节制的转变温度,可以显著影响合金的组成(11,12]。因此,这种合金的力学性能对于大多数实际应用仍不满意。

几个调查旨在开发铜铝镍合金、细粒度与粒度明显小于100μm,通过使用各种粉末冶金技术(13,14]。这些铜铝镍合金粉末技术依赖,这是由一个惰性气体雾化过程或机械合金化元素粉末在高能球磨机在惰性气体气氛(15]。机械合金化(MA)方法(16,17)是最理想的方法之一;它确实报道更负担得起的,也方便生产应用程序。马主要是有利于合成合金熔化的温度有很大的差异。方法应该防止组件的质量损失与较低的熔化温度由于合成室温附近执行。马是一种粉处理方法涉及一系列重复压裂的焊缝粉末颗粒在磨机。合成的铜铝镍sma材料预制合金与自由孔/裂缝,许多常见的烧结方法研究[18- - - - - -20.];然而,大多数这些技术包括烧结时间太长(> 3 h)和高烧结温度(1050°C)。因此,有强烈兴趣点行业的开发创新和优良的烧结过程与细微观结构和改进的物理和机械性能。这就是微波技术承诺是有利的21,22]。

到目前为止,添加钽表现出显著的影响微观结构,力学性能和形状记忆合金的相变温度(23- - - - - -25),由于其能力降低转变温度,提高热稳定性,改善压力恢复()和残余应变(在热循环)。因此,建议助教是一种很有前途的候选人为合金元素提高sma材料的形状记忆性能(23]。另一方面,铜铝镍sma材料的助教,没有报道其他地方;因此,本研究旨在探讨不同数量的Ta除了对相变的影响,机械性能,铜铝镍sma材料的预制合金粉末的腐蚀行为。

2。实验的程序

2.1。样品制备

在这个研究中,元素粉末的铜、铝、镍,与助教一个额外的元素,都准备好了。元素粉末的规范和初始粉混合物如表所示1。这些铜铝镍-的粉末助教sma材料(是1.0,2.0和3.0 wt. %)是由机械合金化使用行星磨1 h 300 rpm。对机械合金化,Retsch PM100行星球磨机与氧化锆瓶是用于1 h确认粉的均匀性。球磨机的转速为300 rpm,和球粉比例大约是5:1按重量。

预制合金粉末热压成绿色样品的尺寸15毫米×(L)的微观结构表征和10毫米ϕ15毫米×30毫米(L)的机械试验通过10吨手动液压机,和一个活塞死15毫米直径的利用。压实过程进行了300°C的恒温10分钟;温度是通过外部加热器保持胶带连接到热固性保持准确的温度。绿色样本放入2.45 GHz, 0.3 - -3.0 kW持续灵活的微波器件(HAMiLab-V3 SYNOTHERM corp .)。绿色的样本内插入一个氧化铝耐火粘土和碳化硅(SiC)覆盖着。SiC的功能通常是作为微波感受器,使绿色的供热系统以及烧结样品。样品被微波加热烧结20°C /分钟的速度为30分钟900°C。氩气的纯度为99.995%是注入微波室整个烧结与意图,防止氧化。测量温度的样品通过烧结过程,利用美国雷泰公司红外高温计。烧结样品的微观结构表征之前,均质在900°C的30分钟和直接淬火水。 Homogenization of the Cu-Al-Ni alloys at temperatures in theβ步场随后快速冷却产生的微观结构形成的亚稳相,从而导致马氏体转变。

2.2。孔隙度计算

绿色的孔隙度计算使用以下方程(26,27]: 在哪里是绿色的密度,可以计算除法计算重量的测量体积;和是样品的理论密度和可以计算如下28]: 在哪里,,,,的理论密度基合金元素和添加剂。

2.3。材料的表征

预制合金的显微组织变化和均质样本调查使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM) Zeiss-LEO型号1530,在10 kV加上能量色散谱(EDS)在10 kV。EDS的结果表示按照standardless半定量的分析和误差棒的5%是添加到每个阅读的价值。阶段和晶体结构被确定使用D5000西门子x射线衍射仪配备了一个铜Kαx射线源与一个锁定的耦合模式,一个30°、80°之间,和0.05°/ s扫描步骤。转换温度的铜铝镍合金机械合金标本和没有进行评估通过差示扫描量热法(DSC)在加热/冷却速度10°C /分钟。

2.4。机械试验

铜铝镍合金内部的分数有和没有添加进行评估通过执行上的阻尼测试标本的马氏体状态,在小尺寸试样的尺寸19毫米×3毫米×2毫米准备。阻尼测试是在一个DMA Q800动态机械分析仪进行single-cantilever模式1 Hz的恒定的振动频率和位移为0.05毫米,用温度范围从20°C到300°C和一个恒定的加热/冷却速率5°C /分钟。测量预制合金样品的形状记忆恢复多周期的下,等温压缩装卸进行测试温度达到200°C,而且,每次循环后,样品被加热,即≈300°C,得到形状恢复。

2.5。腐蚀试验

对于potentiodynamic极化(PDP)测试,圆柱表面积的标本1厘米²都准备好了。PDP玻璃在露天进行细胞包含350毫升3 wt。%氯化钠溶液使用稳压器(普林斯顿大学2263年PARSTAT应用研究)。三电极电池用于PDP测试,在饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,石墨棒作为对电极和一个工作电极合金试样。样本沉浸在SBF 1 h PDP测试之前建立开路的潜力。样本在氯化钠溶液浸泡1 h PDP测试之前建立开路的潜力。所有实验(,n表示复制的数量)之间的范围进行了−250 mV阴极方向和+ 500 mV阳极方向相对于开路电位恒定扫描速率为0.167 mV / s。极化电阻()是根据以下方程来计算的29日,30.]: 在哪里腐蚀电流密度,阴极塔费尔斜率,阳极塔费尔斜率的标本。腐蚀速率()的样本,计算得到的腐蚀电流密度,根据(31日]:‎ 根据ASTM G1-03浸进行了测试。标本10毫米直径和厚度的10毫米都沉浸在烧杯中装有200毫升3 wt。%氯化钠溶液30天。浸泡测试重复至少一次来验证结果的再现性。

3所示。结果与讨论

3.1。绿色的密度和孔隙度

生坯密度和孔隙度的变化修改和未修改的合金作为助教的函数所示数据量1(一)- - - - - -1 (c)。可以清楚地看到,添加助教对气孔密度,产生了重要影响的除了2.0 wt。% Ta导致增加的生坯密度5.354克/厘米³6.869克/厘米³绿色,由于降低了孔隙度从12.96%降至7.5%。另一方面,基于显微图在图1(一)铜铝镍SMA,发现包含一些semimicron-sized毛孔,这些毛孔分布随机的微观结构。毛孔的面积分数计算使用图像处理软件被称为解决方案,也证实了这一趋势递减的Ta的观察孔的面积分数最低2.0 wt。%的助教。在助教数量进一步增加到3.0 wt。%,毛孔的面积分数增加,如图1 (b)。利用解决图像处理软件(解决方案DT),按照ASTM E112-12修改和未修改的预制合金样品的晶粒尺寸进行评估,表示图1 (c)。是观察到修改后的预制合金样品的晶粒尺寸明显减少,和最小的粒度表示的预制合金样品2.0 wt。%的助教。这种减少主要是机械合金化的影响有关,这也表明,大约2。%的助教可以被迫铜晶格形成过饱和Cu-rich固溶体(32,33),产生一个晶粒细化。亲爱的et al。32)也显示,晶界对治疗的应用温度更敏感和扩散率的助教阶段。一般来说,铜铝镍SMA的粒度是传统的铸造生产的决心是300 - 1400μ米(34- - - - - -36),即使合金元素和热治疗应用。

3.2。显微结构的调查

数据2(一)-2(h)的显微图预制合金和铜铝镍sma材料均质单一化的化学分析样品。从预制合金的显微组织样品(见图2(一)-2(d)),颈部形成粉末粒子之间可以很容易地看到;这些脖子是由元素的冷加工粉发生在机械合金化(球磨过程)。从FE-SEM高分辨率图像数据2(e) -2(h)),可以看出,有两个阶段不同的形态,平板状和针状,self-accommodating配置在合并后的谷物。这些阶段和形成热诱发马氏体和不同的厚度和取向后的助教。的阶段作为粗变异/弹性板形成阶段,虽然阶段之间的针状的阶段形成的阶段。的针状的阶段热弹性马氏体有一个非常明显的行为,这可以归因于其控制增长self-accommodating组(37]。然而,当助教了,新形成的阶段,这些沉淀物的体积分数变化的助教说。众所周知,助教是一个有吸引力的元素导致二期/金属间化合物的形成化合物添加后(25,38]。另一方面,它是发现,这些沉淀在铝/镍矩阵和枯竭,因此,形成的马氏体是提升36]。这些沉淀适应和父阶段,他们的住宿在一个连贯的或主要颇具模式取决于沉淀的大小和晶体结构方向相对于父阶段(39]。因此,在转换的过程中沉淀成一个单一的马氏体变体被矩阵后,沉淀的叶子一个空缺的地位。然而,一种内在的发生变形会导致各种各样的其他沉淀严重变形在转换的过程中,和,因此,沉淀维护自己的形状。众所周知,铜铝镍合金的微观结构,因此机械行为改变合金成分和加工路线的样品都接受。形成阶段的化学成分/沉淀在cu - al - ni - 2.0 wt。% Ta合金进行使用EDS和图所示2(我)。发现元素Ta的数量在不同显微结构的位置明显改变了基于阶段形成的类型/沉淀。此外,氧气被发现后减少的百分比的助教和均化。

铜铝镍- x射线衍射模式的均质Ta sma材料不同百分比的Ta呈现在图2索引(j)。这些模式表明,这些只由马氏体阶段和有单斜结构为主要阶段以及一些其他沉淀/金属间化合物化合物也形成均质后在900°C的1 h。添加助教后,扫描峰的改变和强度,表明铜铝镍SMA的XRD模式是敏感的助教。另一方面,铜铝镍SMA的矩阵作为主要阶段总是保留,即使助教数量不同。

3.3。转变温度

吸热和放热曲线的预制合金铜铝镍有或没有助教的样品如图3和确定数据列在下表中2。吸热曲线在加热期间代表马氏体向奥氏体的转变阶段,这个转换的转换温度表示和分别,奥氏体开始和结束。同时,冷却时放热曲线代表奥氏体向马氏体的转变阶段,这是由转换的温度和分别,马氏体开始和结束。从图3可以看出,向前和向后转换显示修改和未修改的一步转换预制合金样品由于平滑单峰值的存在。结果表明,转换温度转向更高的温度。当助教的量大约是1.0 wt。%,转换温度略有增加。进一步增加2.0 wt的助教。%,转换温度迅速增加与修改的合金。然而,添加3.0 wt。% Ta导致减少转换温度Ta样本比例为2.0%。众所周知,转换温度主要影响沉淀的存在,孔隙度,他们的体积分数(35,40,41]。基于显微图的数据1(一)和1 (b)很明显,孔隙度的百分比增加助教的百分比增加到2.0和3.0 wt。%,因此转换温度降低了。

3.4。机械性能

3.4.1。阻尼

为了获得最准确的阻尼材料的行为,被晒黑是最合适的测量,因为它可以给理想的信号随时间的演变。在低频率,棕褐色的巅峰在马氏体转变主要归因于内部瞬态摩擦(42,43]。当合金等温条件设定在一定的温度,棕褐色的价值明显减少,与拖延相关固有的内部摩擦和内在内部摩擦。图4显示了内部摩擦(棕褐色应用温度),,基于棕褐色曲线,只有一个峰值观测到的修改和未修改的合金相变有关。发现添加助教在谭的价值显著不同,获得最高的价值的3.0 wt。%的Ta对基合金。它还可以看到弛豫峰助教数量的增加而增加。这显然是解释的存在众多的助教沉淀,妨碍运动的马氏体相中的混乱和构成放松事件的主要原因。

为了确定孔隙度对阻尼行为的影响,基于以前的研究(44,45),一个有效的参数,即等效内摩擦(),提出,该参数的值可以确定使用以下公式: 在哪里内部摩擦和吗孔隙度。结果表明,等效内摩擦被发现在3.0 wt的结果。wt % Ta > 2.0。wt % Ta > 1.0。wt % Ta > 0。%的助教,修改后的合金为3.0 wt。%助教有最高的两倍,几乎是普通的合金。铜铝镍sma材料的内摩擦机制主要是马氏体相关接口和转换行为。在机械装卸和热过程中,马氏体↔奥氏体相变展品戏剧性lattice-softening现象,在奥氏体和双边界阶段更容易比马氏体形成,导致更高的阻尼能力。

另一方面,孔隙的存在可能会导致改变弹性模量和热膨胀对矩阵,从而导致较高的热应力集中在毛孔(46]。换句话说,导致毛孔非常复杂和不均匀应力-应变状态,在这个状态会导致毛孔扩张和变形,此后,扩张和变形的能量增加。毛孔吸收大量的扩张和变形过程包括位错运动和形成这的确是初始化在材料松弛应力集中导致弹性能量的耗散(47]。通常是明显的,当阻尼来源于一个位错机制,它可以解释为应变振幅依赖(48]。此外,马氏体转变中也略有控制sma材料的孔隙度和能量耗散的指数,和,因此,棕褐色的价值δ下降随着孔隙度的密度和粒径的减少47]。这个语句可以支持的低数量的值修改的合金的最高密度孔隙度,数据显示1(一)和1 (b)。

3.4.2。形状记忆特性

数据5(一个)- - - - - -5 (d)显示每个训练周期的应力-应变曲线测量的修改和未修改的铜铝镍sma材料预制合金。压力是策划对执行的预应变温度200°C,和指示箭头设在代表对应的应变恢复形状记忆效应的周期测量的温度300°C。按照s曲线,发现后的压应力增加的助教,这增加了几乎四倍比未改性合金。另一方面,形状记忆恢复后也增强的助教。最高的形状记忆复苏显示修改后的合金为2.0 wt。%的助教(图5 (c)被加热后),显示几乎100%恢复(即。,30.0°C) at the first cycle; however, as a further number of cycles were performed, this ratio tended to decrease. Both alloys of 1.0 wt.% and 3.0 wt.% show a linear increment in the strain recovery with increasing number of cycles, as observed in Figures5 (b)和5 (d)。残余应变的波动和恢复应变主要依赖于马氏体界面的方向和运动和混乱49,50]。multitraining周期进行时,马氏体变体是单向地将面向,因此,塑性应变是存储在样本。一定数量的周期内,形成局部应力,导致位错和缺陷密度的增加,相反,导致联锁混乱,因此,抑制运动的马氏体变体。结果,阶段是无法转换的马氏体和残余塑性变形阶段存储在样本(51,52]。另一方面,增加热装卸循环的数量也会导致体积分数的增加,马氏体变体。因此,结构的混乱和马氏体变体在训练周期,仍然保持不变,因此,形状记忆效应降低了。随着进一步的培训周期的增加,与诱导一定压力在一个特定的位置,位错的密度达到饱和水平,导致稳定的形状记忆特性。

3.5。电化学和浸泡试验

典型potentiodynamic铜铝镍铜铝镍- SMA和极化曲线的基础助教(= 1.0,2.0,和3.0 wt. %) sma材料绘制在图6。腐蚀电位(),腐蚀电流密度()和极化电阻(SMA的样品展示在表3。包含Ta是高贵的而基础的SMA SMA样本。cu - al - ni - 1.0 wt。% Ta样本大约−220.5米,而基础的SMA样本−261.6米左右。cu - al - ni - 3.0 wt。% Ta样本显然更为积极(−159.3米)与cu - al - ni - 2.0 wt。% Ta样本(−185.1米)。这说明增加助教基地SMA样本使开路电位崇高。事实上,包含3.0 wt的SMA。% Ta表示高贵的蚀电位导致点蚀敏感性的下降和增加点状腐蚀电阻(53]。极化曲线也显示基地的SMA和cu - al - ni - 1.0 wt。% Ta SMA是117.6和78.4μ一个厘米⁻²,分别。积极基地SMA不是钝化和溶解,形成腐蚀产物膜(54]。因此,cu - al - ni - 1.0 wt。% Ta SMA提出更好的耐蚀性比SMA的基地。2.0和3.0 wt。% SMA减少Ta的基地32.7和12.8μ一个厘米⁻²,分别。SMA的高耐蚀性包含Ta浓度高是由于快速形成的钝化膜质量高度保护和高均匀性(54]。

从曲线可以观察到~ 0.07 V / 10年的SMA包含助教。这个值的理论和实验值接近0.06 V / 10年氯化铜在室温下媒体(55]。值表明积极影响的助教添加铜铝镍SMA合金的腐蚀行为。因此,值从4.57增加到7.18 KΩ厘米²当少量的Ta (1.0 wt. %)添加到基础SMA。进一步增加2.0 - -3.0 wt。% Ta的基地SMA导致显著增加值在18.64 - -34.14的范围KΩ厘米²。这表明,添加3.0 wt。% Ta基地SMA导致高度保护钝化膜的形成,即使在积极chloride-containing解决方案(54]。在这方面,tantalum-containing合金显示高耐腐蚀由于自发钝化在激进的媒体56]。钽除了基地SMA导致腐蚀速率的下降趋势(),特别是当3.0 wt。%助教了。值见表3按照以下顺序标明的腐蚀速率:Cu-Al-Ni, cu - al - ni - 1.0助教,cu - al - ni - 2.0 Ta, cu - al - ni - 3.0助教。腐蚀速率最低的cu - al - ni - 3.0 Ta SMA的存在是由于高浓度的助教离子腐蚀产物膜,在积极的低溶解度chloride-containing解决方案(54]。针对这个问题,据报道,钽是一个重要的元素来提高SMA在媒体咄咄逼人的耐蚀性56]。铜铝镍-铜铝镍和表面形态助教SMA后30天的浸泡在氯化钠溶液中在图所示7。铜铝镍SMA基地表示小坑和大量的表面开裂SMA表面的基地,这是由于脱水后去除氯化钠溶液。基合金溶解积极由于的形成复杂阴离子(53]。从图7(b),点蚀和腐蚀产物表面可以观察到cu - al - ni - 1.0 Ta SMA。然而,少量腐蚀产物后被检测到的2.0 wt。SMA(图% Ta的基地7(c))。包含3.0 wt SMA。%助教获得致密均匀的形成保护膜,富含离子覆盖整个SMA钽表面(图7(d))57]。高原的阳极极化曲线可以清楚地看到,揭示3.0 wt钝化膜的形成。% Ta SMA表面(57]。铜铝镍和铜——然而,al - ni - 1.0 Ta sma材料没有钝化的积极和溶解,说明2.0 - -3.0 wt。% Ta基地SMA稳定保护膜。这表明存在腐蚀的钽产品如钽氢氧化物膜功能的有效屏障膜。El-Moneim [57)表明,钽的存在单一固溶体相合金抑制活性溶解过程,增强了保护形成的钝化膜的质量。EDS分析(1)显示了大量的铜、Cl,和O伴随着低镍含量,表明铜化合物的形成氧化物的形式或氯和氧化铝。助教的存在(2)进一步证实,钽是集中在钝化膜。在这方面,Badawy et al。58)报道,在三元醇铜合金腐蚀产物组成的两层,下一层是铜₂o·艾尔₂O₃·H₂O,覆盖物,艾尔的混合物₂O₃和铜₂然而,o . Montecinos和Simison [59]表明腐蚀产物氯化Cu-Al-Be SMA的媒体组成的₂O₃·H₂O,铜₂O,措,(CuCO₃·铜(哦)₂),CuCl₂。针对这一点,tantalum-enriched保护膜的形成除了Al-dihydroxychloride, Cu-oxides, Cu-chlorides负责Cu-Al-Ni-Ta SMA的高耐蚀性。

4所示。结论

铜铝镍合金作为一种潜在的成功由形状记忆合金粉末冶金,机械合金化,微波烧结。添加不同数量的Ta的微观结构的影响,转变温度、阻尼能力,形状记忆效应,和腐蚀行为系统研究的主要结论如下:(1)后微波烧结在900°C,助教颗粒均匀分布在铜铝镍,矩阵和沉淀形成的不同类型绑定域助教和铝/镍之间的阶段。(2)气孔密度和晶粒尺寸降低后的助教,最小的粒度和孔隙度最低观察铜铝镍后修改为2.0 wt预制合金。%的助教。(3)最高的转换温度和应变复苏在预制合金形状记忆效应是表示cu - al - ni - 2.0 wt。%的助教,而最高的内摩擦在场预制合金铜- al -镍- 3.0 wt。%的助教。这些变化主要归因于密度孔隙度、晶粒细化,出现沉淀,而这些参数显著控制马氏体界面的运动和混乱,从而控制机械性能。(4)的电化学腐蚀性能Cu-Al-Ni-Ta SMA是增强通过增加助教浓度。结果也表明,一个更稳定的被动氧化膜含有钽表面形成氢氧化物cu - al - ni - 3.0 Ta SMA,导致更好的耐蚀性比其他SMA材料。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢马来西亚高等教育和马来西亚各种大学大学研究基金会资助下提供金融支持。Q.J130000.3024.00 M57和研究设施。