梯度 NiTi 合金中微观结构表征检测方案(工业CT)

借助X射线显微CT对具有梯度功能的NiTi形状记忆合金进行微观结构表征 在此篇文章开始之前呢，先介绍两个材料学名词——形状记忆合金和梯度功能材料。形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金，在临床医疗领域以及航空航天领域内有着广泛的应用。例如人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作，发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。 而梯度功能材料是指在成分或结构上呈连续梯度变化的一种新型材料，它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，从而使整体性能得到优化。例如，动物的骨头就是一种梯度结构，外部坚韧，内部疏松多孔。 图 不同结构的梯度合金 图 天然梯度结构—人体骨结构 如果使NiTi合金具备功能梯度结构和形状记忆性能的双重特性，将极大促进其作为智能组件的广泛应用。广东工业大学的杨洋等人通过本文介绍了一种重复的激光处理手段使得NiTi形状记忆合金获得梯度功能，以扩大马氏体相变区间，以期提高形状记忆合金可控性。由于微观结构与梯度功能具有复杂的耦合机制，在此次研究中，研究人员借助三英精密的X射线显微CT（NanoVoxel-3000D系列）对微观结构梯度的特征进行了详细的表征；同时，通过循环变形和硬度试验评价了力学性能和梯度功能，分析了加工参数对其微观组织、性能和断裂机理的影响。最后讨论了有利于设计具有潜在复杂性能的梯度NiTi合金的方法。这项工作为制造三维分级NiTi合金提供了一种新颖的、有效的方法，它可以进行复杂的结构设计，从而满足不同领域所期望的功能性能。 制备方法 本文所使用的重复激光处理策略可以分为两个步骤。第一步(见图1b)涉及初始激光扫描，激光功率值从10W到91W逐渐变化。第二个步骤(见图1c)是二次重复激光扫描步骤，它采用60W的恒定激光功率来重新熔化同一层。图 1 显示了用于制造本工作中梯度 NiTi 合金的重复激光加工策略的示意图和样品实物图。 图1 梯度 NiTi 合金的重复激光加工策略的示意图及样品实物图 显微CT无损表征 显微CT无损检测(NDT)可以测试试样的外部形态和内部缺陷。采用NanoVoxel-3000D系统对拉伸试样进行了扫描，考虑到拉伸试样的测量长度为20mm，该数据限制成像的更高分辨率的实现，因此，实验将试样分成5个部分并进行逐一扫描，以保证更好的成像质量。在此条件下，X射线源的电压和电流分别设置为150kV和40μA，曝光时间为0.4s。为了确保样本在显微CT扫描时始终在视野内，分辨率设置为3μm，数据采集采用0.5°的旋转步骤。使用NanoVoxel软件完成图像重建，最后利用Avizo软件进一步重建了试样的三维(3D)结构。 图2中5张图像为每个拉伸试样沿梯度方向的连续三维重建。为方便起见，将图2所示图像的连续五部分指定为第I、II、III、IV和V部分(如图1d所示)。对于图2中的每幅图像，初始激光功率从下到上增加。在图2a中，由BD和GD定义的坐标系用红色箭头清晰标记。图2d中清晰地显示了0.4mm的梯度宽度。值得注意的是，不同部位的表面粗糙度因处理条件不同而不同。对于图2e中在较高的激光功率下制造的梯度区域，这些表面比在相对较低的激光功率下制造的表面更光滑(图2a和b)。 图2 五个拉伸试样沿梯度方向的连续三维重建 图3中的绿色像素代表了五个部分的三维内部缺陷的相应形态，他们之间各有差异。图3显示了缺陷沿梯度方向的形态、分布和体积分数的变化。具体来说，图3a所示的第Ⅰ部分对应于从10W+60W到25W+60W的梯度区域，缺陷形状不规则。在TD-GD平面（图4a）和TD-BD平面（图4c）的横截面上，这些不规则缺陷为平面缺陷，也沿堆积层间的TD和GD方向拉伸。考虑到图3a所示的样品对应于初始较低的激光功率，这些缺陷是由于虽然激光能量的总输入足够高，但在初始扫描过程中激光能量输入不足造成的。随着初始激光功率的增加，图3b中第II部分对应的梯度区域从27W+60W到41W+60W的缺陷体积分数相较于第I部分较小（图5中显示为0.74%）。图3c中所示的第III部分，对应于中等激光功率，确实包含最少的缺陷（图5所示0.09%）。图3c和d中较高激光功率对应的梯度区域的缺陷与其他缺陷完全不同。对于图3d中的第IV部分和图3e中的第V部分，缺陷的几何形状变小，呈球形。这种缺陷在选择性激光熔化（SLM）制造的金属中被称为“锁孔”，通常与激光功率的过量输入有关。有趣的是，与图3d底部区域激光功率相对较低、分层不那么严重的情况相比，球形缺陷的分布表现出分层现象。锁孔缺陷几乎消失在相邻梯度区域的边界，熔化区域对应的是相对较低的激光功率。因此，可以认为锁孔缺陷是由于激光功率过热的熔体池造成的。 图3 对五个拉伸试件扫描结果进行三维重建，揭示五个部分不同部位的内部缺陷 根据显微CT扫描结果，对所有缺陷的尺寸进行统计分析。三个缺陷的尺寸以图4b和图4d为例。图4c的平均缺陷长度约为0.21mm，图4d的平均缺陷长度约为0.04mm。因此，低功率形成的不规则平面缺陷比高功率形成的锁孔缺陷大近10倍。同时分析了所有五个部分的缺陷的体积分数。图5中的直方图显示了不同部分缺陷体积分数的变化。第Ⅰ部分的体积分数为2.84%，第V部分为7.09%。第III部分的缺陷体积分数是在43W~59W之间制备的，低至0.09%。这表明，在形成最少数量的内部缺陷方面，用中等的激光能量输入制造NiTi合金是可取的。 图4 用于详细描述图3a和e的截面： (a) 第Ⅰ部分GD-TD平面， (b) 第Ⅰ部分TD-BD平面， (c) 第V部分TD-BD平面， (d) 第V部分GD-BD平面 图5 功能梯度样品的缺陷体积分数 结论 CT扫描重建结果如图3和4所示，分级试样的外部形态和内部缺陷随第一步初始激光功率的变化而变化。在较低的初始激光功率下，形成了位于层之间的粗糙表面和平面不规则缺陷。但当激光功率输入过大，会形成光滑表面和球形锁孔缺陷。与它们相比，中等初始激光功率(43W-59W)对应的微观结构使表面相对光滑，缺陷最小，如图2c所示。考虑到如图6所示的内部缺陷，第一步激光扫描的功率较低，导致了大量的不规则缺陷，通过重复激光扫描可以部分消除，如图6d所示。但激光功率的过度输入，如功率恒定60W的初始激光扫描以及60W的二次激光扫描，一方面促进B19‘相的形成，另一方面导致形成更多的锁孔。因此，我们知道第一和第二激光扫描步骤是非常重要的。这些事实提示，我们在第一次扫描过程中应避免使用低于30W的低激光功率，因为这将导致太多的不规则缺陷。但一旦初始激光功率大于60W，二次激光功率不应过高，以避免锁孔的形成。 图6 (a)30W、(b)60W、(c)90W、(d)30W+60W、(e)60W+60W、(f)90W+60W的光学显微结构 通过高分辨率显微CT对具有梯度功能的NiTi记忆合金进行扫描，无损可视化了其外观形态和内部缺陷，结合其他分析手段揭示了缺陷形成的机理，对于重复激光处理手段选用条件提供了指导性建议，是研究具有梯度功能的NiTi记忆合金不可或缺的测试手段。 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924013621001370 在此篇文章开始之前，先介绍两个材料学名词——形状记忆合金和梯度功能材料。形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金，在临床医疗领域以及航空航天领域内有着广泛的应用。例如人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作，发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。（图片来自网络）而梯度功能材料是指在成分或结构上呈连续梯度变化的一种新型材料，它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，从而使整体性能得到优化。例如，动物的骨头就是一种梯度结构，外部坚韧，内部疏松多孔。（图片来自网络）如果使NiTi合金具备功能梯度结构和形状记忆性能的双重特性，将极大促进其作为智能组件的广泛应用。广东工业大学的杨洋等人通过一种重复的激光处理手段使得NiTi形状记忆合金获得梯度功能，以扩大马氏体相变区间，以期提高形状记忆合金可控性。由于微观结构与梯度功能具有复杂的耦合机制，在此次研究中，研究人员借助三英精密的X射线显微CT（nanoVoxel-3000系列）对微观结构梯度的特征进行了详细的表征；同时，通过循环变形和硬度试验评价了力学性能和梯度功能，分析了加工参数对其微观组织、性能和断裂机理的影响，最后讨论了有利于设计具有潜在复杂性能的梯度NiTi合金的方法。这项工作为制造三维分级NiTi合金提供了一种新颖的、有效的方法，它可以进行复杂的结构设计，从而满足不同领域所期望的功能性能。三英精密nanoVoxel-3000显微CT制备方法    使用的重复激光处理策略可以分为两个步骤。第一步(见图1b)涉及初始激光扫描，激光功率值从10W到91W逐渐变化。第二个步骤(见图1c)是二次重复激光扫描步骤，它采用60W的恒定激光功率来重新熔化同一层。图 1 显示了用于制造梯度 NiTi 合金的重复激光加工策略的示意图和样品实物图。图1  梯度 NiTi 合金的重复激光加工策略的示意图及样品实物图显微CT无损表征    显微CT无损检测(NDT)可以测试试样的外部形态和内部缺陷。采用nanoVoxel-3000系统对拉伸试样进行了扫描，考虑到拉伸试样的测量长度为20mm，该数据限制成像的更高分辨率的实现，因此，实验将试样分成5个部分并进行逐一扫描，以保证更好的成像质量。在此条件下，X射线源的电压和电流分别设置为150kV和40μA，曝光时间为0.4s。为了确保样本在显微CT扫描时始终在视野内，分辨率设置为3μm，使用软件完成图像重建，最后利用Avizo软件进一步重建了试样的三维(3D)结构。图2中五张图像为每个拉伸试样沿梯度方向的连续三维重建。为方便起见，将图2所示图像的连续五部分指定为第I、II、III、IV和V部分(如图1d所示)。对于图2中的每幅图像，初始激光功率从下到上增加。在图2a中，由BD和GD定义的坐标系用红色箭头清晰标记。图2d中清晰地显示了0.4mm的梯度宽度。值得注意的是，不同部位的表面粗糙度因处理条件不同而不同。对于图2e中在较高的激光功率下制造的梯度区域，这些表面比在相对较低的激光功率下制造的表面更光滑(图2a和b)。 图2 五个拉伸试样沿梯度方向的连续三维重建图3中的绿色像素代表了五个部分的三维内部缺陷的相应形态，他们之间各有差异。图3显示了缺陷沿梯度方向的形态、分布和体积分数的变化。具体来说，图3a所示的第Ⅰ部分对应于从10W+60W到25W+60W的梯度区域，缺陷形状不规则。在TD-GD平面（图4a）和TD-BD平面（图4c）的横截面上，这些不规则缺陷为平面缺陷，也沿堆积层间的TD和GD方向拉伸。考虑到图3a所示的样品对应于初始较低的激光功率，这些缺陷是由于虽然激光能量的总输入足够高，但在初始扫描过程中激光能量输入不足造成的。随着初始激光功率的增加，图3b中第II部分对应的梯度区域从27W+60W到41W+60W的缺陷体积分数相较于第I部分较小（图5中显示为0.74%）。图3c中所示的第III部分，对应于中等激光功率，确实包含最少的缺陷（图5所示0.09%）。图3c和d中较高激光功率对应的梯度区域的缺陷与其他缺陷完全不同。对于图3d中的第IV部分和图3e中的第V部分，缺陷的几何形状变小，呈球形。这种缺陷在选择性激光熔化（SLM）制造的金属中被称为“锁孔”，通常与激光功率的过量输入有关。有趣的是，与图3d底部区域激光功率相对较低、分层不那么严重的情况相比，球形缺陷的分布表现出分层现象。锁孔缺陷几乎消失在相邻梯度区域的边界，熔化区域对应的是相对较低的激光功率。因此，可以认为锁孔缺陷是由于激光功率过热的熔体池造成的。图3 对五个拉伸试件扫描结果进行三维重建，揭示五个部分不同部位的内部缺陷    根据显微CT扫描结果，对所有缺陷的尺寸进行统计分析。三个缺陷的尺寸以图4b和图4d为例。图4c的平均缺陷长度约为0.21mm，图4d的平均缺陷长度约为0.04mm。因此，低功率形成的不规则平面缺陷比高功率形成的锁孔缺陷大近10倍。同时分析了所有五个部分的缺陷的体积分数。图5中的直方图显示了不同部分缺陷体积分数的变化。第Ⅰ部分的体积分数为2.84%，第V部分为7.09%。第III部分的缺陷体积分数是在43W~59W之间制备的，低至0.09%。这表明，在形成最少数量的内部缺陷方面，用中等的激光能量输入制造NiTi合金是可取的。图4 用于详细描述图3a和e的截面：(a) 第Ⅰ部分GD-TD平面， (b) 第Ⅰ部分TD-BD平面， (c) 第V部分TD-BD平面， (d) 第V部分GD-BD平面 图5 功能梯度样品的缺陷体积分数结 论CT扫描重建结果如图3和图4所示，分级试样的外部形态和内部缺陷随第一步初始激光功率的变化而变化。在较低的初始激光功率下，形成了位于层之间的粗糙表面和平面不规则缺陷。但当激光功率输入过大，会形成光滑表面和球形锁孔缺陷。与它们相比，中等初始激光功率(43W-59W)对应的微观结构使表面相对光滑，缺陷最小，如图2c所示。考虑到如图6所示的内部缺陷，第一步激光扫描的功率较低，导致了大量的不规则缺陷，通过重复激光扫描可以部分消除，如图6d所示。但激光功率的过度输入，如功率恒定60W的初始激光扫描以及60W的二次激光扫描，一方面促进B19‘相的形成，另一方面导致形成更多的锁孔。因此，我们知道第一和第二激光扫描步骤是非常重要的。这些事实提示，我们在第一次扫描过程中应避免使用低于30W的低激光功率，因为这将导致太多的不规则缺陷。但一旦初始激光功率大于60W，二次激光功率不应过高，以避免锁孔的形成。图6 (a)30W、(b)60W、(c)90W、(d)30W+60W、(e)60W+60W、(f)90W+60W的光学显微结构通过高分辨率显微CT对具有梯度功能的NiTi记忆合金进行扫描，无损可视化了其外观形态和内部缺陷，结合其他分析手段揭示了缺陷形成的机理，对于重复激光处理手段选用条件提供了指导性建议，是研究具有梯度功能的NiTi记忆合金不可或缺的测试手段。