Ti3Sn/TiNi记忆合金复合材料相变机制与功能特性

基于Ti3Sn-TiNi共晶型相变思路, 经前期探索，在国际上首次获得了复合比与相变温度可控的Ti3Sn/TiNi记忆合金复合材料。并发现含脆性Ti3Sn相（塑变小于4%）的共晶Ti3Sn/TiNi复合材料压缩应力-应变曲线呈现不明显屈服与高应变强化现象，且压缩塑变达44%、断裂强度达2.6GPa，均高于Nature Materials报道的枝晶相增塑纳米晶TiCuNiSnNb合金的塑性与强度。更为值得关注的是，我们初步发现存在于共晶Ti3Sn/TiNi中的Ti3Sn相与以往报道不同，如：可能存在切变型固态相变，产生高密度层错，并形成纳米亚晶粒，以及在高低频范围内具有高阻尼特性。本项目拟探索Ti3Sn/TiNi复合材料的固态相变特征及机制，揭示复合型阻尼特征及机制，认知不同尺度（Ti3Sn+TiNi）共晶组织及纳米亚晶粒的变形特征及所呈现的特殊力学行为及机制，可望获得高质量学术成果。

近年来，人们发现Ti3Sn金属间化合物具有高阻尼，但脆性大，无法得到实际应用，且存在其阻尼机制不明等基础科学问题。NiTi记忆合金是典型的马氏体相变及去孪晶材料，不仅具有“J-形状”的力学响应及均匀微观变形特征，且具有高阻尼性能。若将两者有机组合，可利用TiNi记忆合金的特殊相变、力学响应及微观变形特性，使脆性Ti3Sn的韧性与强度得到最大限度发挥，从而获得高复合材料。本项目首次揭示了Ti3Sn高阻尼机制、相变特征、相变产物晶体结构等，并针对具有优异力学性能的贝壳的有机质变形特征难以模仿的挑战，成功地采用NiTi记忆合金模仿有机生物，并与Ti3Sn组合，获得了高性能复合材料。.本项目基于液-固共晶相变的成分设计与真空感应（或电弧）熔炼，制备了NiTi记忆合金-Ti3Sn原位大块复合材料，采用原位同步辐射变温高能XRD技术，首次证实了Ti3Sn具有热诱发弱一级（近二级）的可逆点阵切变相变与应力诱发点阵切变相变；采用TEM系列倾转法及XRD谱线解析与结构精修等方法，首次确定了Ti3Sn相变产物为正交晶体结构，空间群为Cmcm，单胞参数为：a=0.5872 nm, b=1.0372 nm, c=0.4769 nm，并给出了晶胞的原子占位。.贝壳是具有优异强度与韧性组合性能的天然生物材料代表，作为其组元之一的有机质在力学性能中发挥重要作用。但长期以来，在仿生材料研究中，模仿有机质的“J-形状”力学响应及均匀微观变形行为来制备高性能材料，一直是材料学科面临的挑战。本项目研究提出新的设计概念，即采用具有“J-形状”力学响应及均匀微观变形特征的NiTi形状记忆合金模仿贝壳中的有机生物物，并通过其与脆性Ti3Sn组合来证实设计概念。我们采用液-固共晶相变的成分设计与真空熔炼（感应、电弧、定向等）获得了TiNi-Ti3Sn层状原位复合材料，采用同步辐射变温高能XRD技术证实， NiTi记忆合金组元确实展示了“J-形状”的力学响应及均匀的微观变形行为，使Ti3Sn组元呈现的弹性应变是其在自由态下弹性应变的6倍，并使复合材料的力学性能远高于已报道的天然生物材料及仿生材料，其中，断裂强度达到3GPa，断裂韧性达到16 MPa﹒m1/2，断裂应变大于30%，阻尼性能Q-1 >10-2，为发展高性能仿生材料及工程材料提供了新机遇。