Прежде чем начать статью, ознакомьтесь с двумя терминами материаловедения - сплавом памяти формы и градиентным функциональным материалом. Сплав памяти формы относится к сплаву с эффектом памяти формы, который широко используется в клинической медицине и в области. Например, огромная антенна на спутнике может быть изготовлена из сплава памяти, прежде чем запускать спутник, параболическая антенна складывается и загружается в тело спутника, ракета запускается, чтобы отправить спутник на заданную орбиту, просто нагревается, складная спутниковая антенна естественным образом разворачивается из - за функции « памяти» и восстанавливает параболическую форму.

(Фото из сети)

Градиентный функциональный материал относится к новому типу материала с непрерывным градиентом изменения состава или структуры, его конструкция требует изменения функции, производительности случайного положения внутри и, таким образом, оптимизации общей производительности. Например, кости животных представляют собой градиентную структуру с внешней жесткостью и внутренним рыхлением и пористостью.

(Фото из сети)

Если сплав NiTi имеет двойные характеристики функциональной градиентной структуры и функции памяти формы, это значительно облегчит его широкое применение в качестве интеллектуального компонента. Ян Ян и другие из Технологического университета Гуандуна получили градиентную функцию благодаря повторяющейся лазерной обработке сплава памяти формы NiTi, чтобы расширить диапазон фазового перехода мартенсита, чтобы улучшить управляемость сплава памяти формы. Поскольку микроструктура имеет сложный механизм связи с градиентной функцией, в этом исследовании исследователи подробно описали характеристики градиента микроструктуры с помощью трехзначной рентгеновской микроскопической КТ (серия nanoVoxel - 3000); В то же время механические свойства и градиентные функции были оценены с помощью испытаний на циклическую деформацию и твердость, проанализировано влияние параметров обработки на микроструктуру, производительность и механизм разрушения, и, наконец, обсуждены методы, способствующие проектированию градиентных сплавов NiTi с потенциально сложными свойствами. Эта работа предлагает новый и эффективный способ изготовления трехмерного классифицированного сплава NiTi, который может выполнять сложные структурные конструкции для удовлетворения функциональных характеристик, ожидаемых в различных областях.

Трёхсторонняя прецизионная нано - Voxel - 3000 микроскопическая КТ

Повторяющиеся стратегии лазерной обработки можно разделить на два этапа. Первый шаг (см. Рисунок 1b) включает в себя первоначальное лазерное сканирование, при котором значение мощности лазера постепенно меняется от 10 Вт до 91 Вт. Второй шаг (см. рисунок 1c) представляет собой вторичное повторение лазерного сканирования, которое использует постоянную мощность лазера 60 Вт для переплавки того же слоя. На рисунке 1 показана схема повторяющейся стратегии лазерной обработки для изготовления градиентного сплава NiTi и физическая карта образца.

Микроскопическое КТ неразрушающее обнаружение (NDT) позволяет проверить внешнюю форму образца и внутренние дефекты. Образец на растяжение сканировался с помощью системы nanoVoxel - 3000, и, учитывая измеренную длину образца на растяжение 20 мм, эти данные ограничивают реализацию более высокого разрешения изображения, поэтому эксперимент разделил образец на пять частей и сканировал один за другим, чтобы обеспечить лучшее качество изображения. В этих условиях напряжение и ток рентгеновского источника были установлены на уровне 150 кВ и 40 мкА соответственно, а время экспозиции - 0,4 с. Чтобы убедиться, что образец всегда находится в поле зрения при микроКТ - сканировании, разрешение установлено на уровне 3 мкм, восстановление изображения было завершено с помощью программного обеспечения, и, наконец, с помощью программного обеспечения Avizo была дополнительно реконструирована трехмерная (3D) структура образца.

Пять изображений на рисунке 2 представляют собой непрерывную трехмерную реконструкцию каждого образца растяжения в направлении градиента. Для удобства пять последовательных частей изображений, показанных на рисунке 2Для частей I, II, III, IV и V (как показано на рисунке 1d). Для каждого изображения на рисунке 2 начальная мощность лазера увеличивается снизу вверх. На рисунке 2a системы координат, определенные BD и GD, четко обозначены красной стрелкой. Ширина градиента 0,4 мм четко показана на рисунке 2d. Стоит отметить, что шероховатость поверхности в разных частях варьируется в зависимости от условий обработки. Для градиентных областей, созданных при более высокой мощности лазера на рисунке 2e, эти поверхности более гладкие, чем поверхности, созданные при относительно низкой мощности лазера (рис. 2a и b).

Рисунок 2 Непрерывная трехмерная реконструкция пяти образцов растяжения по градиенту

Зеленые пиксели на рисунке 3 представляют собой соответствующие формы трехмерных внутренних дефектов в пяти частях, которые различаются между собой. На рисунке 3 показаны изменения формы, распределения и объемной доли дефекта в направлении градиента. В частности, часть I, показанная на рисунке 3a, соответствует области градиента от 10W + 60W до 25W + 60W с нерегулярной формой дефекта. На поперечном сечении плоскости TD - GD (рис. 4a) и плоскости TD - BD (рис. 4c) эти нерегулярные дефекты представляют собой плоские дефекты, которые также растягиваются по направлению TD и GD между слоями накопления. Учитывая, что образцы, показанные на рисунке 3a, соответствуют начальной низкой мощности лазера, эти дефекты вызваны недостаточным входом энергии лазера во время первоначального сканирования, хотя общий вход энергии лазера достаточно высок. С увеличением первоначальной мощности лазера область градиента, соответствующая части II на рисунке 3b, имеет меньшую долю дефектного объема от 27W + 60W до 41W + 60W по сравнению с частью I (0,74% на рисунке 5). Часть III, показанная на рисунке 3c, соответствует средней мощности лазера и содержит наименьшее количество дефектов (0,09% на рисунке 5). Дефекты в области градиента, соответствующей более высокой мощности лазера на рисунках 3c и d, отличаются от других дефектов *. Для части IV на рисунке 3d и части V на рисунке 3e геометрия дефекта уменьшается и становится сферической. Этот дефект называется « замочным отверстием» в металле, изготовленном из селективного лазерного плавления (SLM), и часто связан с избыточным входом мощности лазера. Интересно, что распределение сферических дефектов показывает стратификацию по сравнению с ситуацией, когда мощность лазера в нижней части рисунка 3d относительно низка и расслоена менее серьезно. Дефекты замка практически исчезают на границе соседней градиентной области, область плавления соответствует относительно низкой мощности лазера. Таким образом, можно предположить, что дефект замка был вызван резервуаром расплава с перегревом мощности лазера.

На рисунке 3 показана трехмерная реконструкция результатов сканирования пяти образцов растяжения, которая выявила внутренние дефекты в разных частях пяти частей

По результатам микрокомпьютерной томографии проводится статистический анализ размеров всех дефектов. Размеры трех дефектов приведены на рисунках 4b и 4d. Средняя длина дефекта на рисунке 4c составляет около 0,21 мм, а средняя длина дефекта на рисунке 4d - около 0,04 мм. Таким образом, дефект нерегулярной плоскости, образованный низкой мощностью, почти в 10 раз больше дефекта замка, образованного высокой мощностью. В то же время были проанализированы объёмные доли дефектов во всех пяти частях. Гистограмма на рисунке 5 показывает изменения в объемной доле различных частей дефекта. Часть I имеет объемную долю 2,84%, часть V - 7,09%. Коэффициент объёма дефекта части III был подготовлен между 43 Вт ~ 59 Вт и ниже 0,09%. Это говорит о том, что для формирования минимального количества внутренних дефектов желательно изготавливать сплав NiTi со средним входом лазерной энергии.

Рисунок 5 Функциональный градиент

Как показано на рисунках 3 и 4, внешняя форма и внутренние дефекты классифицированного образца изменяются в зависимости от первоначальной мощности лазера на первом этапе. При низкой начальной мощности лазера образуются неровные поверхностные и плоские дефекты, расположенные между слоями. Но когда мощность лазера слишком велика, образуется дефект гладкой поверхности и сферической замочной скважины. По сравнению с ними микроструктура, соответствующая средней начальной мощности лазера (43W - 59W), делает поверхность относительно гладкой с минимальными дефектами, как показано на рисунке 2c. Учитывая внутренние дефекты, показанные на рисунке 6, первый шаг лазерного сканирования имеет низкую мощность, что приводит к большому количеству нерегулярных дефектов, которые могут быть частично устранены путем повторного лазерного сканирования, как показано на рисунке 6d. Но чрезмерный ввод мощности лазера, такой как первоначальное лазерное сканирование мощностью 60 Вт и вторичное лазерное сканирование мощностью 60 Вт, с одной стороны, способствует формированию фазы B19, а с другой стороны, приводит к образованию большего количества замков. Поэтому мы знаем, что первый и второй этапы лазерного сканирования очень важны. Эти факты говорят о том, что мы должны избегать использования низкой мощности лазера менее 30 Вт при первом сканировании, поскольку это приведет к слишком большому количеству нерегулярных дефектов. Но как только начальная мощность лазера превышает 60 Вт, мощность вторичного лазера не должна быть слишком высокой, чтобы избежать образования замка.

Сканирование сплава памяти NiTi с градиентной функцией с помощью микроскопической КТ с высоким разрешением позволяет визуализировать его внешний вид и внутренние дефекты без потерь, выявляет механизм формирования дефектов в сочетании с другими аналитическими методами, дает рекомендации по выбору условий для повторной лазерной обработки и является тестовым средством для изучения сплава памяти NiTi * с градиентной функцией.