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超声能场对NiTi增强Ti/Al层状复合材料组织性能的影响

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摘要

随着航空航天、国防工业、交通运输等领域对材料轻量化的需求不断增加，NiTi

纤维增强Ti/Al层状复合材料由于具有低密度、高比强度、高比模量等优点而受到人们

的关注，在这些领域具有广阔的应用前景。然而，传统的真空热压烧结（vacuum

hot-pressing，VHP）制备叠层复合材料的方法所需的反应时间长、反应温度高，难以实

现快速制造。因此，为了降低反应所需温度与时间，本课题通过引入超声波增材制造

（ultrasonicadditivemanufacturing，UA），对NiTi纤维与Al带材进行超声固结处理得

到Al-NiTi预制件，将超声能量存储在材料的界面处，从而降低热压烧结反应过程中所

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需的温度与时间。之后以Al-NiTi预制件、Ti箔、Al箔为原材料，使用超声辅助真空热

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压烧结技术制备了NiTi纤维增强Ti/Al层状复合材料。通过使用光学显微镜、扫描电子

显微镜、能谱衍射分析、X射线衍射分析技术、背向散射电子衍射技术对在实验中制备

的层状复合材料进行了微结构表征。又通过硬度、纳米压痕、拉伸测试、准静态压缩、

三点弯曲、断裂韧性等测试研究了复合材料的力学性能。

使用UA与VHP制备了超声能场作用的NiTi纤维增强Ti/Al层状复合材料。对

UA过程中采用不同工艺参数制备的材料进行了剥离测试，并根据剥离曲线分析选择

了最优工艺参数。之后对不同工艺参数下得到层状复合材料进行了微观形貌表征，发现

温度在625℃、保温时间在20、30、40min时可以得到符合设计要求且无裂纹空洞缺陷

的层状复合材料。为了分析超声能场对材料的影响，在相同真空热压工艺参数下制备了

无超声能场影响的NiTi纤维增强Ti/Al层状复合材料。

对有无超声能场影响的NiTi纤维增强Ti/Al层状复合材料进行了微观形貌表征。结

果表明反应层区域由AlTi和AlNi相组成，金属间化合物（intermetalliccompounds,IMCs）

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区域中主要以AlTi相为主。超声能场影响显著提升了NiTi纤维界面处生长动力学指数

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n，生长模式从标准扩散限制生长向界面控制生长转变。背向散射电子绕射技术（electron

backscatterdiffraction，EBSD）分析结果表明，超声能场的引入使IMCs区域中AlNi

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的分布更加均匀；减小了IMCs区域的晶粒尺寸；弱化了IMCs区域内的各向异性，并

转变区域2的织构取向；IMCs区域的位错分布从晶界堆积变为晶间弥散。

对有无超声能场样品进行了显微硬度测试，有超声能场样品在反应层、IMCs区域

中的硬度升高，其他区域的硬度变化不明显。对有无超声能场样品进行了拉伸性能测试，

有超声能场样品平均抗拉强度为872.4MPa，断后延伸率为20.4%；无超声能场样品平

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

均抗拉强度为826.5MPa，断后延伸率为17.5%。超声能场引入后层状材料的强度和塑

性都有一定程度的提升。对有无超声能场的样品进行了增材（叠层）方向-AD

（Accumulatingdirection），振动方向-VD（Vibratingdirection），焊头滚动方向-RD（Rolling

direction）三个方向的压缩测试，结果表明在RD、VD方向上有超声能场样品有着更大

的失效应力与失效应变。通过对材料进行三点弯曲与断裂韧性测试，有超声能场样品的

抗弯强度为873.9MPa，断裂韧性为