《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of aging temperature on the strength and plasticity of 60NiTi alloy prepared by electromagnetic levitation melting
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逆热处理调控60NiTi合金中Ni3Ti/Ni4Ti3相组成及断裂行为研究，通过1050℃预沉淀Ni3Ti相后淬火处理，揭示850℃时Ni3Ti相溶解形成短棒状Ni3Ti2相并伴随大量Ni4Ti3相析出，使强度达923.45MPa且断裂机制转为混合型，而1050℃淬火因Ni4Ti3相多取向导致强度下降并引发扇形cleavage断裂。
冯浩民|夏行川|崔毅|曹文全|赵英莉|丁健|王成明|张云飞|刘永昌
中国河北省工业大学材料科学与工程学院高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，天津 300401
摘要 60NiTi合金是空间生命支持系统中离心泵轴承的关键材料，它具有高硬度、低密度和低弹性模量的特点。与真空感应熔炼和热等静压工艺相比，通过电磁悬浮熔炼制备的60NiTi合金具有更优越的性能，包括更均匀的晶粒结构和消除了Ti(N, O)夹杂物。然而，Ni?Ti和Ni?Ti?相对高纯度60NiTi合金的断裂机制和塑性的影响尚未得到研究。本研究设计了一种“逆向热处理”工艺：首先在1050℃下保温2小时以促进稳定的Ni?Ti相完全析出，然后在450℃至1050℃之间进行淬火处理2小时以析出Ni?Ti?相。结果表明，硬度随老化温度的升高而增加；抗拉强度先增加后减小，而应变则持续减小。在450℃和650℃下老化的60NiTi合金的抗拉强度分别为577.53 MPa和626.85 MPa，其断裂模式主要为晶间断裂。这是因为Ni?Ti富集的晶界强度低于B2-NiTi基体。在850℃下老化后，长条状的Ni?Ti相溶解并逐渐转变为短棒状，同时Ni?Ti?相大量析出，使强度升至923.45 MPa，断裂类型变为晶间断裂和解理断裂的混合形式。在1050℃时，强度降至881.85 MPa，断裂机制变为扇形解理。位错的“波动滑移”使得储存的弹性应变能量得以瞬间释放；多取向的Ni?Ti?相导致B2-NiTi基体沿拉伸方向发生断裂。本研究为60NiTi合金的微观结构演变和成形过程提供了理论依据。
引言 随着太空环境复杂性的增加，航空航天设备对基础部件（尤其是轴承部件）的轻量化设计和高性能提出了更高要求[1]。轴承作为关键部件，确保设备高效运行[2]。为满足先进设备的性能需求，轴承材料经历了四代发展[1]。与传统轴承材料相比，作为第四代轴承材料的60NiTi合金具有密度低、弹性模量低且非磁性的优点[3]。此外，60NiTi合金与55NiTi形状记忆合金不同[4]，其较高的镍含量增强了原子有序性和键合刚性，并将马氏体转变完成温度降至-100℃[5][6]，同时表现出更好的微观结构和尺寸稳定性[7][8]。60NiTi合金已被认为是国际空间站生命支持系统离心泵轴承的理想材料[9]。
60NiTi合金本身的脆性导致其在传统锻造和轧制过程中容易产生严重裂纹[3]。美国国家航空航天局（NASA）开发了热等静压（HIP）技术以实现近净成形[10]。Stanford等人[11]研究了60NiTi合金的HIP制造过程，发现粉末纯度和球形度以及烧结温度和保温时间需要严格控制；这些变量的不当管理会促进有害的Al和O富集夹杂物的快速形成。Anthony等人[12]研究了HIP制备的60NiTi合金的摩擦性能，发现微观结构的不均匀性（如晶粒尺寸和沉淀物分布）会降低摩擦性能。He等人[13]指出，HIP处理后的60NiTi合金的蠕变行为与几何必需位错（GNDs）的形核和吸收密切相关，而这些又受晶粒结构影响。总体而言，HIP工艺实现了60NiTi合金的近净成形，但也存在晶粒尺寸不均匀、致密度低和加工复杂等缺点。
通过真空感应熔炼（VIM）制备的60NiTi合金具有高密度和低成本的优势[14]。研究人员研究了VIM制备的60NiTi合金的热变形行为，并建立了本构方程和加工图谱[15]。Chen等人[15]认为，退火后的60NiTi合金的最佳热变形参数为温度范围600-650℃、应变速率0.005-0.05 s?1。Khamei等人[16]指出，均匀化60NiTi合金的最佳热变形条件为温度950-1050℃、应变速率0.001-0.35 s?1。这些结果表明，60NiTi合金的成形行为受初始微观结构的显著影响。热处理是调整沉淀相的形态、尺寸和分布的主要方法[17][18]。Vecchio等人[8]研究了老化温度对60NiTi合金微观结构演变、硬度和压缩性能的影响，沉淀顺序为Ni?Ti? → Ni?Ti? → Ni?Ti。经过时效处理和快速冷却后，铸态60NiTi合金的硬度可从约33 HRC提升至62 HRC[19][20]。Jiang等人[20]发现，冷却速率越高，Ni?Ti?相的量越多；在950-1075℃下退火后再淬火可抑制Ni?Ti相的形成。Zheng等人[21]研究了高体积分数Ni?Ti?相的60NiTi合金的时效处理对沉淀物演变和断裂行为的影响，最大应变仅达到1.81%。针状Ni?Ti?相和Ti(C, O)夹杂物会导致局部应力集中，成为裂纹起始的主要位置。因此，有必要提高材料纯度，抑制Ni?Ti?相的形成，并明确Ni?Ti相的形态和含量以及Ni?Ti?相的晶体取向对60NiTi合金塑性的影响。
电磁悬浮（EML）熔炼是一种新型的非接触式熔炼技术，可在熔炼过程中减少C、O和N原子的含量，并通过深度过冷改变凝固结构，从而提高合金的纯度和机械性能[22][23]。因此，EML熔炼为制备高纯度60NiTi合金提供了新方法。我们之前的研究[24]表明，EML制备的60NiTi合金的微观结构与HIP[13]和VIM[20]制备的合金有显著差异，尤其是在晶粒均匀性和纯度方面。EML制备的60NiTi合金显著减少了TiC和氧化物夹杂物的含量，同时保持了等轴晶粒的均匀性。尽管已初步研究了HIP或VIM对60NiTi合金微观结构和性能的影响，但对其微观结构演变和塑性的研究仍十分必要。
尽管HIP制备的60NiTi合金可实现近净成形，但其致密度低且晶粒尺寸不均匀。VIM制备的60NiTi合金含有TiC和氧化物夹杂物，这些缺陷会在成形过程中导致应力集中和裂纹产生，从而显著降低塑性。EML熔炼可以消除容器引起的非均匀形核现象，获得致密结构从而提高60NiTi合金的塑性。然而，关于第二相的形态和晶体取向对60NiTi合金塑性和断裂机制的影响研究较少。基于沉淀顺序和Ni?Ti?相的快速析出，本文首次提出了逆向热处理策略，该策略能有效抑制Ni?Ti?相的形成，并定量控制Ni?Ti相的含量和形态。预期可以明确Ni?Ti相对硬度和塑性的影响，以及多取向Ni?Ti?相对应力分布和断裂机制的影响。这些发现为提高60NiTi合金的塑性提供了实用指导。
材料与实验方法 采用Ti海绵（99.99 wt%）和纯Ni（99.99 wt%）通过EML熔炼制备了60NiTi合金（Ni：59~61 wt%，Ti：39~41 wt%，C≤0.01 wt%，N≤0.01 wt%，O≤0.0065 wt%）。熔炼前将腔室抽至1 × 10?3 Pa，然后充入高纯度氩气保护。加热功率逐步增加至140、180、260、300、320、400、500和600 kW，每个功率水平保持3分钟。合金在1900℃下保温10分钟后进行炉冷。
OS 60NiTi合金的微观结构 图2显示了经过固溶处理后炉冷后的60NiTi合金微观结构。60NiTi合金主要由长条状相和B2-NiTi基体组成。为了分析Ni和Ti原子的分布，图2(a, b)进行了元素映射分析：Ni原子主要集中在长条状相中，而Ti原子则富集在B2-NiTi基体中。B2-NiTi基体中的Ni/Ti原子比为1，而长条状相中的Ni/Ti原子比为
相分析 断裂机制的演变与微观结构密切相关，并受热激活内部过程的控制[38][39][40]。图6展示了不同老化温度下沉淀相的演变情况：在OS状态下并在450℃下老化时，60NiTi合金主要由B2-NiTi基体和Ni?Ti相组成，Ni?Ti相的晶向为(0004)和(20?
结论 本研究系统研究了EML制备的60NiTi合金在450-1050℃和2小时不同老化条件下的Ni?Ti和Ni?Ti?相的演变行为，同时分析了沉淀相和位错运动对硬度、强度和塑性的影响。主要结论如下：
(1). 随着老化温度的升高，Ni?Ti相的体积分数先增加后减小，这是因为Ni?Ti?相的析出速度更快
作者贡献声明 王成明： 验证、实验研究。丁健： 撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。刘永昌： 监督、资源协调。张云飞： 资源协调、项目管理、实验研究。曹文全： 监督、资源协调。崔毅： 撰写、审稿与编辑、验证、实验研究。夏行川： 撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金申请。冯浩民： 撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢 本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52175312）、河北省军民融合发展专项基金（SJMYF202501）、河北省高校重大科技项目（项目编号2510101007A）以及河北省战略性科技项目（项目编号23311003L）的支持。
数据与材料
论文中用于评估结论的所有数据均已提供。如需更多相关数据，可联系作者获取。
