晶界类型对柱状晶组织Cu-Al-Mn形状记忆合金性能的影响及其控制方法

Cu-based shape memory alloys (CSMAs) have broad application prospects because of their low cost and good shape memory effect. However, the CSMAs single crystal is hard to be prepared and the ordinary polycrystalline CSMAs often suffer from intergranular fracture, which severely reduces their shape memory effect and fatigue life, resulting in a bottleneck challenge for the application of CSMAs. We proposed a solution by means of texturing and grain boundary (GB) design, and prepared columnar-grained (CG) Cu-Al-Mn SMAs with high oriented texture and straight low-energy GB characteristics. Then, it is found that the CG Cu-Al-Mn SMAs have high superelasticity which is up to the level of single crystal, and relative high strength. The previous researches show that except the high oriented texture, the low-energy GB plays an important role in the properties improvement. In this project, the interaction between the martensite and GB will be focused on to clarify the effect of GB type on the properties of the Cu-Al-Mn SMAs. In addition, the key parameters to the control of the GB types of the high performance SMAs in the preparation and processing will be investigated. The results of this project will offer a significant reference to high efficient preparation and processing technology of high-performance CSMAs.

Cu基形状记忆合金(SMAs)以其低廉的价格和良好的形状记忆效应而拥有广阔的应用前景，但单晶合金制备困难，而普通多晶合金易发生晶间断裂，严重降低了形状记忆性能和疲劳寿命，成为制约其广泛应用的瓶颈问题。我们采用定向凝固方法制备了具有高<001>取向织构和平直低能晶界特征的柱状晶（CG）组织Cu-Al-Mn SMAs，发现其同时具有与单晶相当的高超弹性和较高的强度。初步的机理分析显示，CG Cu-Al-Mn SMAs性能的提升除与高取向性有关外，低能晶界起到了重要作用。为此，本项目拟通过重点研究马氏体-晶界的交互作用机制，阐明晶界类型对Cu-Al-Mn SMAs性能的影响规律及机制；并进一步研究制备与加工过程中影响晶界类型的主要因素，探索高性能Cu基SMAs晶界类型的控制方法，为开发高性能Cu基SMAs及其高效制备加工方法提供参考。

Cu基形状记忆合金(SMAs)以其低廉的价格和良好的形状记忆效应而拥有广阔的应用前景，但单晶合金制备困难，而普通多晶合金易发生晶间断裂，严重降低了形状记忆性能和疲劳寿命，成为制约其广泛应用的瓶颈问题。本项目中，我们采用定向凝固方法制备了具有高<001>取向织构和平直低能晶界特征的柱状晶组织Cu-Al-Mn SMAs (CG CAM SMAs)，利用柱状晶组织优异的形变/相变协调性，大幅提升形状记忆合金的性能和疲劳寿命。. 阐明了柱状晶组织对马氏体相变和形变的影响机制，明确了柱状晶组织及其各向异性对合金性能的提升机制；系统研究了各组织因素对CG CAM SMAs超弹性应变的影响程度，并提出高性能Cu基形状记忆合金的组织设计原则；研究了CG CAM SMAs的制备和加工工艺，并进一步开发了基于柱状晶组织样品的大尺寸[001]取向单晶制备新方法，成功制备出50 mm ×10 mm ×1 mm的[001]取向Cu–17.5Al–11Mn(at%) SMA单晶板材。. 通过组织和成分综合设计和精确控制，开发了高超弹性CG CAM SMAs，其超弹性应变可达10%以上，卸载后的残余应变小于0.3%。拉伸断裂应变可达40%。研究了Cu-Al-Mn合金的贝氏体强化机制，设计了超弹性应变5% ~ 9%，马氏体相变临界应力达到443 MPa ~ 677 MPa的高强超弹合金，以及性能可大范围变化的梯度功能材料，可应用于吸能、减震和抗撞等器件设计。探明了CG CAM SMAs中的巨大弹热效应，发现合金的完全可逆马氏体相变熵变可达25.0 J/kg K，且温度窗口最大可达260K；通过成分设计，可在环境温度为50~450 K的范围内，获得最高达17K的绝热温度变化。综合驱动应力低等优点，CG CAM SMAs是一种极具潜力的固态制冷用弹热材料。服役性能研究表明，CG CAM SMAs沿凝固方向具有较好的疲劳性能。当疲劳加载应变为10%时，经1800次循环后不发生断裂；当疲劳加载应变为4%时，经2400次循环后的残余应变小于1%，具有能在反复变形-恢复应用中替代Ni-Ti合金的潜力。. 总之，本项目研究表明通过积极的组织控制，可以大幅提升Cu基形状记忆的力学性能、超弹性、弹热效应、疲劳性能等多种重要性能，为Cu基形状记忆合金的推广应用提供了实验支撑。