离子注入对NiTi形状记忆合金相变和功能特性影响机制研究

以NiTi合金为代表的形状记忆合金由于具有独特的形状记忆效应和伪弹性，而成为生物医用和航空航天等领域的重要功能材料。本项目在申请人前期发现Hf、Nb离子注入表面改性可以将NiTi合金由一种简单的均质合金体系变成一种复杂的非均匀体系，其相变特征也因为合金化作用和长程效应的存在而出现了丰富变化的基础上，提出通过系统研究典型金属元素和非金属元素离子注入对NiTi合金注入层成分和结构，对长程效应区结构的影响规律，研究离子注入对相变特征、力学性能、形状记忆效应和伪弹性的影响规律，以及离子参注入参数在其中的作用，从而揭示离子注入影响记忆合金马氏体相变和功能特性的内在机制。相关结果对深入理解非均质体系形状记忆合金的马氏体相变特点及其功能特性具有重要的理论意义。

本项目系统研究了Hf、Nb和Ti等离子注入对NiTi合金表面成分、形貌、相变、耐腐蚀性能、耐摩擦磨损性能和超弹性等的影响规律。相关结果对揭示离子注入影响形状记忆合金相变和功能特性的内在机制具有重要理论意义。结果表明：Hf 元素注入后，NiTi 合金表层形成TiO2/HfO2纳米复合氧化层薄膜，Ni 在表层的分布得到抑制；NiTi合金改性层纳米硬度随注入剂量增加先下降后升高。合金的初始摩擦系数降低、氧化层断裂时间延长、磨痕宽度和深度减小，说明其耐磨性显著提高。Hf注入NiTi合金在拉伸应变低于10%时，表面无裂纹，保持了良好的完整性。Hf离子注入使合金马氏体相变温度升高，相变温度滞后减小，超弹性应变提高。Nb离子注入导致NiTi相变温度升高，相变温度区间拓宽，这是由于离子注入引起的第二相析出、表层局部非晶化和内应力增加造成的。适度剂量的Nb离子注入可以提高合金的伪弹性应变，这可能是因为内应力变化引起母相强度增加造成的。Nb离子注入降低了合金的摩擦系数，显著减小了磨痕宽度和深度，提高了耐磨性。这主要是因为表面显微硬度得到提高，而具有自润滑能力的Nb2O5提高了耐氧化腐蚀磨损能力。Ti离子注入NiTi后形成TiO2纳米表层薄膜，Ni在表层含量显著降低。NiTi合金的相变行为在Ti离子注入前后几乎保持不变，所以其形状记忆效应可能也不会发生明显改变。Ti-NiTi合金的耐腐蚀性能提高，抑制了Ni离子溶出，同时提高了细胞相容性。Ag注入NiTi合金后以单质状态存在，不会形成氧化物。合金外表面的Ag含量基本不随注入剂量变化，都维持在1at.%左右。Ag注入前后合金的耐腐蚀性能变化不大。Ag-NiTi合金可以在直接接触的情况下抑制大肠杆菌，为改善NiTi合金的抗菌性找到了一条有效途径。