Ni―Ti系形状记忆合金的应用

摘 要 文章介绍了Ni-Ti形状记忆合金的本质，Ni-Ti-X三元形状记忆合金的种类、性质与应用，Ni-Ti形状记忆合金薄膜的特点、优势与应用，稀土元素对Ni-Ti记忆合金的改善以及Ni-Ti系形状记忆合金的发展前景。

关键词 性质；Ni-Ti-X；Ni-Ti形状记忆合金合金薄膜

中图分类号：TBl46 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0103-02

形状记忆合金是记忆材料中举足轻重的一部分，其中Ni-Ti系合金是目前所有形状记忆合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形状记忆合金具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀，形状记忆恢复率高，其很好的生物相容性使得它成为唯一的生物医学材料。经历了从“概念化热潮”、“应用化热潮”到“产业化热潮”的发展。

1 Ni-Ti形状记忆合金的本质

相图是所有相变研究的基础，是研究合金组织和性能的重要依据，图1所示的Ni-Ti合金相图是最近Massalski[1]等人在前人的基础上稍做修改报道的。

图1 Ni-Ti合金相图

Ni-Ti形状记忆合金的成分处于近等原子比范围，在冷却过程中除发生B19’马氏体相变外，还伴随R（有公度）相变，其也是一种马氏体类型的相变。另外，合金还具有以下条件[2]。

1）马氏体相变是热弹性的；马氏体和母相的晶体点阵呈完全的晶体学可逆性的马氏体相变称为热弹性马氏体相变。这类材料的马氏体，经过重新加热至一定的温度，可通过类似马氏体相变的方式转变为母相，称为逆马氏体相变。热滞小，相界面随温度升降能很快作往复运动，相变中的母相晶体和马氏体都是产生弹性变形，而且两相界面始终保持着良好的协调性。部分合金及其转变温度见表1。

表1 部分Ni-Ti系形状记忆合金及其转变温度

合金 成分 Ms/℃ AS/℃

Ni-Ti

Ti-Ni-Cu

Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

Ti-51Ni

Ti-20Ni-30Cu

Ti-47Ni-3Fe 60

-20

80

-90 78

-12

85

-72

2）马氏体点阵的不变切变为孪变，亚结构为孪晶或位错。

3）母相和马氏体均为有序点阵结构；母相有序化合金的弹性极限较高，可以保证，在马氏体转变过程中母相与马氏体之间的共格关系不会因晶格畸变产生的内应力而被破坏，使逆转变成为可能[3]；根据能量最低最稳定，马氏体只有转变回原来的母相组织，系统最稳定。

4）相变时在晶体学上具有完全可逆性。点阵不变切变的结果是内部孪晶，因而也保证了转变的可逆性。

2 Ni-Ti-X三元形状记忆合金

第三元素（X）对马氏体相变的温度有很大的影响。铁、铝、钴、锰、钒、铌和稀土元素铈、钕等，使马氏体相变温度Ms呈直线下降。金、铂、钯、铪、锆提高Ms温度。Cu对B2B19’相变温度影响不大，但使相变顺序发生变化[4]。

1）Ni-Ti-Cu窄滞后形状记忆合金。铜的加入抑制了合金MS温度对成分的敏感性，且使相变滞后明显变窄（4℃左右），如Ni50Ti30Cu20合金。合金对温度场的反应比较迅速，可以用于制成具有较高响应频率的敏感元器件。

2）Ni-Ti-Nb宽滞后形状记忆合金。Ni-Ti-Nb合金在一个特征形变温度（MS+30℃）和临界形变量范围（14%～20%）条件下变形，可有效地提高马氏体的稳定性，使相变滞后增大，同时应变恢复率和恢复力仍维持较高水平，这种特性与Ni-Ti-Nb合金的形变马氏体组织结构和界面结构密切相关。经适当的变形后相变滞后可达150℃，用这种合金制作的连接紧固件可在室温下存储，工程应用极为方便。

3）高温形状记忆合金。Ni-Ti合金的MS温度一般低于100℃，通常只能在低于100℃的温度下使用。但在相当多的情况下，如防火装置、汽车发动机等要求的工作温度一般较高，仅仅常温下的形状记忆合金远不能满足，为了扩大记忆合金的应用，需要发展高温形状记忆合金。我们采用合金化的方法，如添加贵金属钯、金和铂来代替镍或者添加铪和锆来代替钛来提高相变温度。

3 Ni-Ti形状记忆合金薄膜

用溅射法制备Ni-Ti合金薄膜，在衬底温度低于200℃时，所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶态，不显示形状记忆效应。经过400℃以上温度晶化处理后，才能获得形状记忆效应。与体材料类似，Ni-Ti薄膜冷却时也发生R相变和B19’马氏体相变。

Ni-Ti形状记忆合金薄膜的优势在于它的响应速度快、做功输出能力高，且集传感与驱动双重功能。由于B2R相变的相变滞后较窄，对温度场的响应较快，适合于制作微驱动器[5]。且在恒压力作用下，Ni-Ti合金薄膜的Ms温度和可恢复应变随热循环次数的增加而显著提高，随后达到某一稳定值。而且，富镍Ni-Ti合金薄膜在经约束时效后可获得良好的双程形状记忆效应[6]。

4 Ni-Ti形状记忆合金的发展

我们除了在Ni-Ti中加入常规第三组元来改善Ni-Ti的性能外，也可考虑在Ni-Ti中加入稀土元素来发展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形状记忆合金基体中分别通过碳热还原法和真空固渗法加入稀土Ce或Sm元素，形成稀土镍金属间化合物渗层，强化了Ti-Ni形状记忆合金的表面，并使Ni-Ti合金的线性回复性能得以改善。但由于熔炼时不可避免坩埚的杂质渗入到熔体，所以稀土元素对记忆合金的作用还有待进一步研究[8]。

目前，形状记忆合金在工程上的应用已有很多。工程上，可用在机械工业、自控和仪表工业、汽车工业、兵器工业、航空和航天工业等方面。图2为Ni-Ti合金在紧固销上应用的一个例子。这是形状记忆合金一种最简单的应用，从外部不能接触到的地方可以利用这种方法，是其他材料无法替代的。可应用于原子能工业、真空装置、海底工程和宇宙空间工程等处。

图2

在医学上，主要使用的还是Ni-Ti合金，它对生物材料有较好的相容性，可以埋入人体做移植材料。从功能方面考虑，在医学上的应用就是利用其形状恢复功能。例如，在心脏、下肢和骨盆静脉中形成的血栓被剥离后，会通过血管游动到肺部发生肺栓塞，一般我们需要使用抗凝剂或者进行外科手术，但这两种方法都不是太安全，这时我们将一个形状简单的马氏体Ni-Ti直丝植入体内，由于体温的作用，使其变成复杂的母相过滤器形状，来阻挡凝结物进入心脏、肺。

5 结论

形状记忆合金薄膜可能会成为未来机器人和机械手的理想材料，除温度外不受任何其他环境条件的影响，可望在核反应堆、加速器、太空实验室等高科技领域大显身手。

参考文献

[1]Massalski TB，Okamoto H，Subramanian PR，Kacprzak L.editers.Bniary alloy phase diagrams[J].2nd ed，vo1.3.Ohio：ASM International，1990：2875

[2]王正品，等.金属功能材料[J].化学工业出版社，2004：261.

[3]刘列义，洪伟卿，等.Ni-Ti形状记忆合金的应用[J].上海钢研，1981（59）：68.

[4]张骥华.功能材料及其应用[J].机械工业出版社，2009：137.

[5]秦桂红，等.Ni-Ti形状就医合金薄膜的研究与应用[J].上海钢研，2005.

[6]Gil F J，Solano E，Pena J，et al. J Mater Sci： Materials in Medicine，2004，15： 1181.

[7]王高潮，杨刚，鲁世强，等.金属功能材料，2004，11（6）：12.

[8]尹燕，徐仰涛，等.三元Ni-Ti基形状记忆合金的研究现状[J].材料导报，2006，20（12）：70-73.

作者简介

吴怡（1992-），女，汉族，河南安阳人，本科，单位：郑州大学材料科学与工程学院金属材料专业，研究方向：金属材料。