通过纳米工程手段限制R相的形成，提高了NiTiV合金的强度和阻尼性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhanced strength and damping in NiTiV alloy through nanoengineered R-phase confinement

纳米级Ni4Ti3析出相与V固溶协同抑制R相取向变形，使Ni51Ti48V1合金实现245-376 MPa高屈服强度（传统合金的5-7倍），并保持0.164阻尼系数及5%过载后94%初始阻尼能力。

　　在现代工程领域，振动阻尼和噪声抑制技术对于提高设备性能和延长使用寿命至关重要。尤其是在航空航天、精密仪器、建筑结构和桥梁工程等关键应用中，对材料的强度和能量耗散能力提出了更高的要求。然而，传统的高阻尼合金往往面临一个根本性的挑战：其强度与阻尼性能之间存在一种反向关系。这意味着，当合金的强度提升时，其阻尼能力往往会下降，反之亦然。这种矛盾限制了高阻尼合金在需要同时承受高载荷和实现高效能量耗散的场景中的实际应用。因此，开发一种兼具高载荷承载能力和优异阻尼性能的新型合金，成为当前材料科学领域的重要研究方向。

本文介绍了一种新型的镍钛钒（Ni₅₁Ti₄₈V₁）合金，该合金通过纳米级的共格析出相和溶质原子的协同调控，成功实现了高阻尼性能与高强度的平衡。该合金在室温下表现出显著的阻尼特性，其损耗因子（tan δ）达到0.164，远高于传统高阻尼锰铜合金的水平。同时，其表观屈服强度从245 MPa到376 MPa不等，比常规的含R相镍钛合金高5到7倍。这种性能的突破为航空航天领域的振动抑制系统提供了新的材料选择。

传统的镍钛形状记忆合金（SMA）中，R相的存在是其阻尼性能优异的关键因素。R相是一种具有高密度和高移动性的孪晶边界结构，能够有效吸收和耗散振动能量。然而，R相的高阻尼特性往往伴随着较低的强度，使得其难以在需要高强度的工程环境中应用。此外，R相在机械载荷作用下容易发生定向变形，导致孪晶边界密度下降，进而引发阻尼性能的显著下降。同时，这种定向变形往往是不可逆的，会导致卸载后残留应变，影响材料的长期使用性能。

为了解决这一问题，研究人员尝试通过引入强化相（如Ni₄Ti₃）来提高R相的变体取向应力，从而增强合金的强度。然而，这种强化相的引入虽然在一定程度上提高了合金的强度，却也对R相的阻尼性能造成了不利影响。此外，添加其他第三元素（如Fe）虽然能够改善某些性能，但并未显著提升合金的强度，仍然无法满足高载荷环境的需求。因此，如何在不破坏R相阻尼性能的前提下，提高合金的强度，成为当前研究的难点。

本研究提出了一种创新的策略，即通过纳米级的Ni₄Ti₃析出相与钒（V）溶质原子的协同作用，来实现合金强度与阻尼性能的同步提升。这种协同调控不仅限制了R相的生长空间，还有效抑制了R相在变形过程中的变体取向现象。结果表明，该合金在经历5%的拉伸过载后，仍然能够保持94%的初始阻尼能力，表现出优异的阻尼保持性和超弹性循环稳定性。这种微结构设计使得R相以无孪晶的单变体形式存在，直径范围在5 nm到10 nm之间，呈现出均匀分布的颗粒形态。

在实验方法上，研究团队采用了一系列先进的测试手段，包括动态机械分析（DMA）、差示扫描量热法（DSC）以及透射电子显微镜（TEM）等，对合金的相变行为、机械性能和微观结构进行了深入研究。实验结果显示，该合金在冷却过程中经历了B2 ? R相的可逆转变，其相变温度范围较窄，且相变潜热较低，表明R相的形成并不完全，这可能与其独特的微结构有关。此外，通过在不同温度下进行拉伸测试，研究人员发现该合金的表观屈服强度随着温度的降低而逐渐增加，这与传统R相合金的性能变化趋势有所不同。

在微观结构方面，该合金的R相以颗粒形式存在，而非传统的片状结构。这种颗粒状的R相形态在纳米尺度上均匀分布于基体中，使得相界面数量显著增加，从而提升了材料的能量耗散能力。同时，Ni₄Ti₃析出相的高密度和细小尺寸，为R相的生长提供了物理限制，有效抑制了其在变形过程中的定向重组。此外，V元素的引入不仅促进了R相的形成，还通过其在基体中的随机分布，进一步减少了晶格畸变，从而提升了材料的整体性能。

值得注意的是，该合金的超弹性性能同样表现出色。在-40 °C条件下，经过五次循环拉伸后，其超弹性应变仅下降了0.02%，超弹性应力也仅降低了2%。这表明，该合金在反复载荷作用下具有良好的稳定性，适用于需要长期可靠工作的精密仪器和航空航天设备。此外，实验还发现，该合金在经历5%的拉伸过载后，其阻尼性能依然保持较高水平，与未变形样品相比仅略有下降，这进一步证明了其在复杂载荷条件下的优异表现。

该研究不仅为高载荷阻尼合金的开发提供了新的思路，还展示了纳米尺度微结构调控在提升材料性能方面的巨大潜力。通过引入纳米级析出相和溶质原子，研究人员成功实现了对R相生长和变形行为的控制，从而在不牺牲阻尼性能的前提下，显著提升了合金的强度。这种策略为未来的材料设计提供了重要的理论依据和技术路径，尤其是在航空航天、精密仪器和结构工程等对材料性能要求极高的领域，具有广泛的应用前景。

在实际应用中，该合金的优异性能可以有效应用于航天器的精密仪器支撑结构、空间站平台以及其他需要高载荷承载和高效能量耗散的系统。然而，研究也指出，该合金在接近或高于室温的环境下，其阻尼性能可能会出现一定程度的下降，因此，未来的研究需要进一步探索其在更宽温度范围内的性能表现，以满足更多工程场景的需求。此外，如何在不同环境下优化其微结构，使其在各种温度和载荷条件下均能保持稳定的性能，也是值得深入研究的方向。

综上所述，本文通过系统的实验研究和理论分析，揭示了纳米级析出相与溶质原子协同调控对R相镍钛合金性能的影响机制。研究结果表明，这种微结构设计不仅显著提升了合金的强度，还保持了其优异的阻尼性能和超弹性稳定性。该合金的开发为高载荷振动抑制系统提供了新的材料选择，同时也为未来的高性能材料设计提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步拓展该合金的应用范围，探索其在更复杂环境下的性能表现，并推动其在实际工程中的广泛应用。