Bevor wir mit diesem Artikel beginnen, werden wir zwei Materialwissenschaftliche Begriffe einführen: Formspeicherlegierungen und gradientenfunktionelle Materialien. Formgedächtnislegierungen beziehen sich auf Legierungen mit Formgedächtniseffekten, die in der klinischen Medizin und in diesem Bereich eine Vielzahl von Anwendungen haben. Zum Beispiel kann eine riesige Antenne auf einem Satelliten aus einer Speicherlegierung hergestellt werden, bevor der Satellit gestartet wird, wird die Parabolantenne gefaltet und in den Satellitenkörper geladen, die Rakete schickt den Satelliten in eine vorgegebene Umlaufbahn, nur erwärmt, die gefaltete Satellitenantenne wird sich aufgrund der Funktion des "Gedächtnisses" natürlich ausbreiten und die Parabolanform wiederherstellen.

(Bild aus dem Internet)

Ein gradientenfunktionelles Material bezieht sich auf eine neue Art von Material, das sich kontinuierlich in der Zusammensetzung oder Struktur verändert, und seine Konstruktion erfordert, dass sich die Funktion und die Leistung des Zufallsteils ändern, um die Gesamtleistung zu optimieren. Zum Beispiel sind die Knochen eines Tieres eine Gradientstruktur, die äußerlich robust und innerlich poros ist.

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Wenn die NiTi-Legierung die doppelte Eigenschaft der funktionellen Gradientenstruktur und der Formspeicherleistung besitzt, wird sie ihre breite Anwendung als intelligente Komponente erheblich fördern. Yang Yang et al. von der Guangdong University of Technology ermöglichten es NiTi-Formspeicherlegierungen durch eine wiederholte Laserbehandlung, Gradientenfunktionen zu erhalten, um den martensitischen Phasenwechselintervall zu erweitern, um die Steuerbarkeit der Formspeicherlegierung zu verbessern. Aufgrund der komplexen Kopplungsmechanismen von Mikrostrukturen und Gradientenfunktionen haben die Forscher in dieser Studie die Merkmale von Mikrostrukturen-Gradienten detailliert mit einer 3-Inch-Präzisionsröntgenmikroskopie CT (nanoVoxel-3000-Serie) charakterisiert. Gleichzeitig wurden die mechanischen Eigenschaften und die Gradientfunktion durch Zyklus-Verformungs- und Härteprüfungen bewertet, die Auswirkungen der Bearbeitungsparameter auf ihre mikroskopische Organisation, Leistung und Bruchmechanismus analysiert und schließlich Methoden diskutiert, die zur Konstruktion von Gradienten NiTi-Legierungen mit potenziell komplexen Eigenschaften beitragen. Diese Arbeit bietet eine innovative und effektive Methode zur Herstellung von NiTi-Legierungen mit dreidimensionaler Klassifizierung, die komplexe Strukturen entwerfen können, um die von verschiedenen Bereichen erwarteten funktionellen Leistungen zu erfüllen.

PräzisionsnanoVoxel-3000 MikroCT

Die verwendeten wiederholten Laserbehandlungsstrategien können in zwei Schritte unterteilt werden. Der erste Schritt (siehe Abbildung 1b) umfasst einen ersten Laserscan, der sich allmählich von 10W auf 91W verändert. Der zweite Schritt (siehe Abbildung 1c) ist der zweite wiederholte Laserscannschritt, bei dem eine konstante Laserleistung von 60 W verwendet wird, um die gleiche Schicht wieder zu schmelzen. Abbildung 1 zeigt eine Schematik und ein physisches Diagramm der wiederholten Laserbearbeitungsstrategien für die Herstellung von Gradienten NiTi-Legierungen.

Der Mikroskop-CT-Zerstörungsfreier Test (NDT) kann sowohl die äußere Morphologie als auch die inneren Mängel einer Probe prüfen. Die Dehnungsprobe wurde mit dem nanoVoxel-3000-System gescannt und angesichts der Messlänge der Dehnungsprobe von 20 mm, die die Realisierung einer höheren Bildauflösung einschränkt, wurde die Probe in fünf Teile aufgeteilt und einzeln gescannt, um eine bessere Bildqualität zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen werden die Spannung und der Strom der Röntgenquelle auf 150 kV bzw. 40 μA eingestellt und die Belichtungszeit auf 0,4 s. Um sicherzustellen, dass die Probe beim Mikro-CT-Scan immer im Sichtfeld ist, wurde die Auflösung auf 3 μm eingestellt. Die Software wurde verwendet, um das Bild zu rekonstruieren, und schließlich wurde die dreidimensionale (3D-) Struktur der Probe mit der Avizo-Software rekonstruiert.

Fünf Bilder in Abbildung 2 zeigen eine kontinuierliche dreidimensionale Rekonstruktion jeder Stretchprobe entlang der Gradientenrichtung. Zur Bequemlichkeit werden fünf aufeinanderfolgende Teile des in Abbildung 2 gezeigten BildesAbschnitte I, II, III, IV und V (wie in Abbildung 1d dargestellt). Für jedes Bild in Abbildung 2 erhöht sich die anfängliche Laserleistung von unten nach oben. In Abbildung 2a sind die von BD und GD definierten Koordinatensysteme mit roten Pfeilen deutlich gekennzeichnet. In Abbildung 2d ist eine Gradientbreite von 0,4 mm deutlich dargestellt. Es ist bemerkenswert, dass die Oberflächenrauheit verschiedener Teile je nach Behandlungsbedingungen unterschiedlich ist. Für Gradientenbereiche, die bei höherer Laserleistung in Abbildung 2e hergestellt werden, sind diese Oberflächen glatter als Oberflächen, die bei relativ niedriger Laserleistung hergestellt werden (Abbildungen 2a und b).

Abbildung 2 Kontinuierliche dreidimensionale Rekonstruktion von fünf Dehnungsproben entlang der Gradientenrichtung

Das grüne Pixel in Abbildung 3 repräsentiert die entsprechende Form eines dreidimensionalen inneren Defekts in fünf Teilen, die jeweils unterschiedlich sind. Abbildung 3 zeigt die Veränderungen in der Form, Verteilung und Volumenfraktion des Defekts entlang der Gradientenrichtung. Insbesondere entspricht der Teil I in Abbildung 3a einem Gradientenbereich von 10W + 60W bis 25W + 60W mit unregelmäßiger Defektform. Auf den Querschnitten der TD-GD-Ebene (Abbildung 4a) und der TD-BD-Ebene (Abbildung 4c) sind diese unregelmäßigen Mängel ebene Mängel, die sich auch entlang der TD- und GD-Richtung zwischen den Stapelschichten erstrecken. Angesichts der Tatsache, dass die in Abbildung 3a dargestellte Probe einer anfänglich niedrigeren Laserleistung entspricht, sind diese Mängel aufgrund eines unzureichenden Lasereingangs während des anfänglichen Scans verursacht, obwohl der Gesamteingang der Laserenergie hoch genug ist. Mit dem Anstieg der anfänglichen Laserleistung ist der fehlerhafte Volumenfraktion im Gradientenbereich von 27W + 60W bis 41W + 60W für Teil II in Abbildung 3b im Vergleich zu Teil I kleiner (0,74% in Abbildung 5). Der in Abbildung 3c dargestellte Teil III entspricht einer mittleren Laserleistung und enthält tatsächlich die geringsten Mängel (0,09% in Abbildung 5). Die Mängel in den Gradientbereichen, die einer höheren Laserleistung entsprechen, in Abbildungen 3c und d unterscheiden sich von anderen Mängeln*. Für den Teil IV in Abbildung 3d und den Teil V in Abbildung 3e wird die Geometrie des Defekts kleiner und kugelförmig. Dieser Fehler wird in Metallen, die durch selektive Laserschmelzung (SLM) hergestellt werden, als "Sperrloch" bezeichnet und ist in der Regel mit einer übermäßigen Eingabe von Laserleistung verbunden. Interessanterweise zeigt die Verteilung des kugelförmigen Defekts ein schichtförmiges Phänomen im Vergleich zu Situationen, in denen die Laserleistung im unteren Bereich der Abbildung 3D relativ niedrig und die Schichtung weniger schwer ist. Verriegelungsdefekte verschwinden fast an der Grenze des benachbarten Gradientenbereichs, der einer relativ niedrigen Laserleistung entspricht. Es kann daher angenommen werden, dass ein Sperrlochfehler auf eine überhitzte Schmelzebecke mit Laserleistung zurückzuführen ist.

Abbildung 3 Dreidimensionale Rekonstruktion von fünf Stretchproben, die interne Mängel an fünf Teilen aufdecken

Auf der Grundlage der Ergebnisse des Mikro-CT-Scans werden alle Mängelgrößen statistisch analysiert. Die Größen der drei Mängel sind in Abbildungen 4b und 4d beispielhaft. Die durchschnittliche Fehlerlänge in Abbildung 4c beträgt etwa 0,21 mm und die durchschnittliche Fehlerlänge in Abbildung 4d etwa 0,04 mm. Somit sind die unregelmäßigen Flachenfehler bei niedriger Leistungsbildung fast zehnmal größer als die Sperrlochfehler bei hoher Leistungsbildung. Die Volumenfraktionen der Mängel in allen fünf Teilen wurden gleichzeitig analysiert. Das Histogramm in Abbildung 5 zeigt die Veränderungen der Volumenfraktionen verschiedener Teile des Defekts. Der Volumenanteil von Teil I beträgt 2,84% und Teil V 7,09%. Der fehlerhafte Volumenanteil in Teil III wurde zwischen 43W und 59W hergestellt, bis zu 0,09%. Dies deutet darauf hin, dass es wünschenswert ist, NiTi-Legierungen mit mittleren Laserenergieeingängen herzustellen, um eine minimale Anzahl an internen Mängeln zu bilden.

Abbildung 5 Mängelvolumen-Fraktionen von funktionellen Gradientenproben

Die CT-Scan-Rekonstruktionsergebnisse sind in Abbildungen 3 und 4 gezeigt, wobei sich die äußere Morphologie und die inneren Mängel der klassifizierten Probe mit einer Änderung der anfänglichen Laserleistung im ersten Schritt ändern. Bei niedriger anfänglicher Laserleistung entstehen zwischen den Schichten ungewöhnliche Mängel an der rauen Oberfläche und der Ebene. Wenn die Laserleistung jedoch zu groß ist, entstehen glatte Oberflächen und kugelförmige Sperrlöcher. Im Vergleich zu ihnen macht die Mikrostruktur, die der mittleren Anfangslaserleistung (43W-59W) entspricht, die Oberfläche relativ glatt und mit minimalen Mängeln, wie in Abbildung 2c gezeigt. Unter Berücksichtigung der internen Mängel, wie in Abbildung 6 gezeigt, führt die geringere Leistung des ersten Laserscanns zu einer großen Anzahl von unregelmäßigen Mängeln, die durch wiederholte Laserscannungen teilweise beseitigt werden können, wie in Abbildung 6d gezeigt. Aber die übermäßige Eingabe von Laserleistung, wie der erste Laserscan mit einer Leistungskonstante von 60W und der sekundäre Laserscan mit 60W, fördert einerseits die Bildung der B19-Phase und führt andererseits zur Bildung von mehr Sperrlöchern. Daher wissen wir, dass der erste und zweite Laserscannschritt sehr wichtig ist. Diese Tatsachen deuten darauf hin, dass wir beim ersten Scan eine niedrige Laserleistung unter 30W vermeiden sollten, da dies zu vielen unregelmäßigen Mängeln führen würde. Sobald die anfängliche Laserleistung jedoch größer als 60W ist, sollte die sekundäre Laserleistung nicht zu hoch sein, um die Bildung von Sperrlöchern zu vermeiden.

Die NiTi-Speicherlegierung mit Gradientenfunktion wurde durch hochauflösende Mikroskop-CT gescannt, um ihre äußere Form und interne Mängel beschädigungslos zu visualisieren, um den Mechanismus der Mängelbildung in Kombination mit anderen Analysemethoden aufzudecken, um die Bedingungen für die Auswahl der wiederholten Laserbehandlungsmittel zu empfehlen, um NiTi-Speicherlegierung * mit Gradientenfunktion zu untersuchen.