记忆合金辐照诱发多类型缺陷与局域马氏体相变及功能行为关联性研究

In order to meet the requirement for the new-generation and high reliable lifetime-spacecraft which works in space radiation environment, the thermally-induced TiNi shape memory alloys and the magnetically shape memory alloys showing great potential are studied in the present project. The proton, electron and helium ions are used as irradiation particles. The multi-type defects induced by irradiation and its relationships with localized martensitic transformation and functional properties are studied. The formation mechanism and influencing factors of multi-type defects induced by irradiation are investigated. The interaction between multi-type defects and lattice atom, the physical nature of the effect of multi-type defects on the stability of phase are revealed. The model describing the localized martensitic transformation related to multi-type defects is established. The influence of irradiation doze on functional properties is investigated. Based on the above results, the relationship among the multi-type defects induced by irradiation and localized martensitic transformation and functional properties is revealed. The present work is not only enrich the basic theory of martensitic transformation, but also supports the design of new shape memory alloys with excellent irradiation resistance.

本项目面向新一代长寿命航天器对记忆合金空间辐照环境应用高可靠性要求，以广泛应用的TiNi热控记忆合金和具有极大应用潜力的磁性记忆合金为对象，以空间环境大量存在的质子、电子及氦离子为辐照粒子，研究空间粒子辐照诱发多类型缺陷与局域马氏体相变及功能行为关联。项目拟查明不同参数辐照记忆合金中多类型辐照缺陷的形成机制及影响因素，揭示多类型辐照缺陷与晶格原子作用规律，阐明多类型辐照缺陷影响相结构稳定性的物理本质，建立多类型辐照缺陷相关局域马氏体相变模型；研究辐照参量对功能特性的影响规律，阐明辐照诱发多类型缺陷—局域马氏体相变—功能特性的内在关联。本项目将丰富马氏体相变基础理论，并为优异抗空间辐照性能新型记忆合金的设计提供支撑。

本项目面向新一代长寿命航天器对记忆合金空间辐照环境应用高可靠性要求，以广泛应用的TiNi热控记忆合金和具有极大应用潜力的磁性记忆合金为对象，以空间环境大量存在的质子、电子及氦离子为辐照粒子，研究空间粒子辐照诱发多类型缺陷与局域马氏体相变及功能行为关联，并基于缺陷调控开发出新型功能材料。.带电粒子辐照TiNi合金会引入多类型的辐照缺陷包括空位型点缺陷、位错、层错、氦泡及分层结构等。辐照初期形成单空位缺陷，空位聚集形成空位团，可观察到大量位错，同时氦离子辐照可引入大量氦泡。TiNi合金在沿粒子入射方向可产生Ti2Ni、B2母相以及马氏体想的多层结构，其微观机制为表面溅射作用和逆Kirkendall效应的共同作用。母相NiMnGa合金经辐照后局部区域发生辐照诱发马氏体相变，形成7M马氏体；7MNiMnGa合金经辐照后，局部区域通过马氏体再取向过程形成NM马氏体，其体积分数随辐照剂量增加而增大。.带电粒子辐照对TiNi、NiMnGa和NiMnCoIn合金的马氏体相变温度及相变顺序均有影响。TiNi合金经粒子辐照后出现两步马氏体相变，其原因为粒子辐照导致的Ni原子分布不均匀，富Ni贫Ti的表层与基体产生相变分离。NiMnGa合金经电子辐照后出现两步马氏体相变，通过变温XRD分析判断两步马氏体相变分别为母相-7M马氏体相变和7M-NM中间马氏体相变。.带电粒子辐照显著增强合金的磁学性能及磁功能特性，Ms和Ku均有明显提高，其微观机制为辐照引入空位型点缺陷，造成晶格畸变，Mn-Mn原子间距减小，磁交换作作用增强；入射粒子与晶格原子核外电子能量交换，晶体场的对称性破坏，导致超精细磁场升高，Mn原子的本征磁矩升高，二者共同作用使磁学性能提高，并使NiMnCoIn合金获得48.15 J/kgK的巨磁熵变。.带电粒子辐照可提高TiNi合金的弹热效应，等温熵变由38 J/kgK提高至68 J/kgK，其原因为点缺陷的引入造成点阵畸变，增大了盈利有法马氏体相变前后晶胞体积变化，提高相变熵变。带电粒子辐照可提高NiMnGa合金的磁感生应变，其原因为辐照提高饱和磁化强度和磁晶各向异性常数，为磁场下马氏体变体再取向提供更大的驱动力，有利于获得大的磁感生应变。在此结果基础上，根据缺陷调控原理，开发了具有巨大超弹性的微丝，负膨胀系数的FeMnGa合金；通过强化晶界策略，获得高弹热的NiMn基合金。