Trước khi bắt đầu bài viết này, hãy giới thiệu hai danh từ vật liệu - hợp kim bộ nhớ hình dạng và vật liệu chức năng gradient. Hợp kim bộ nhớ hình dạng là hợp kim có hiệu ứng bộ nhớ hình dạng, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế lâm sàng và trong lĩnh vực này. Ví dụ, ăng-ten khổng lồ trên vệ tinh nhân tạo có thể được làm bằng hợp kim bộ nhớ, trước khi phóng vệ tinh nhân tạo, ăng-ten parabol được gấp lại để lắp vào trong cơ thể vệ tinh, sau khi tên lửa cất cánh đưa vệ tinh nhân tạo đến quỹ đạo dự định, chỉ cần tăng nhiệt độ, ăng-ten vệ tinh gấp lại do có chức năng "bộ nhớ" mà tự nhiên triển khai, khôi phục hình dạng parabol.

(Ảnh từ WEB

Và vật liệu chức năng gradient đề cập đến một loại vật liệu mới trong thành phần hoặc cấu trúc thay đổi gradient liên tục, thiết kế của nó đòi hỏi chức năng, hiệu suất thay đổi vị trí bên trong của các bộ phận ngẫu nhiên, do đó làm cho hiệu suất tổng thể được tối ưu hóa. Ví dụ, xương động vật là một cấu trúc gradient, cứng bên ngoài và xốp bên trong.

(Ảnh từ WEB

Nếu hợp kim NiTi được trang bị các đặc tính kép của cấu trúc gradient chức năng và hiệu suất bộ nhớ hình dạng, nó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng rộng rãi như một thành phần thông minh. Yang Yang và những người khác tại Đại học Công nghiệp Quảng Đông làm cho hợp kim bộ nhớ hình dạng NiTi có được chức năng gradient thông qua một phương pháp xử lý laser lặp đi lặp lại để mở rộng phạm vi chuyển pha martensite với hy vọng cải thiện khả năng điều khiển hợp kim bộ nhớ hình dạng. Do cơ chế ghép nối phức tạp giữa cấu trúc vi mô và chức năng gradient, trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã mô tả chi tiết các đặc điểm của gradient vi cấu trúc với sự trợ giúp của microCT tia X chính xác ba Anh (nanoVoxel-3000 series); Đồng thời, các tính chất cơ học và chức năng gradient đã được đánh giá thông qua các thử nghiệm biến dạng và độ cứng tuần hoàn, ảnh hưởng của các thông số gia công đối với tổ chức vi mô, tính chất và cơ chế phá vỡ của chúng đã được phân tích, và cuối cùng các phương pháp có lợi cho việc thiết kế hợp kim gradient NiTi với các tính chất phức tạp tiềm ẩn đã được thảo luận. Công việc này cung cấp một phương pháp mới và hiệu quả để tạo ra các hợp kim NiTi được phân loại ba chiều có thể thực hiện các thiết kế cấu trúc phức tạp để đáp ứng các tính chất chức năng mong muốn trong các lĩnh vực khác nhau.

MicroCT NanoVoxel-3000 chính xác

Chiến lược xử lý laser lặp đi lặp lại được sử dụng có thể được chia thành hai bước. Bước đầu tiên (xem Hình 1b) liên quan đến quét laser ban đầu, với các giá trị công suất laser thay đổi dần dần từ 10W đến 91W. Bước thứ hai (xem Hình 1c) là bước quét laser lặp lại thứ cấp, sử dụng công suất laser không đổi 60W để làm tan chảy lại cùng một lớp. Hình 1 cho thấy sơ đồ và biểu đồ vật lý mẫu của các chiến lược gia công laser lặp đi lặp lại được sử dụng để sản xuất hợp kim NiTi gradient.

Kiểm tra không phá hủy microCT (NDT) có thể kiểm tra hình thái bên ngoài và các khuyết tật bên trong của mẫu vật. Mẫu thử kéo dài đã được quét bằng hệ thống nanoVoxel-3000, có tính đến chiều dài đo của mẫu kéo dài là 20mm, dữ liệu này hạn chế việc thực hiện hình ảnh có độ phân giải cao hơn, do đó, các thí nghiệm chia mẫu thử thành 5 phần và quét từng phần một để đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt hơn. Trong điều kiện này, điện áp và dòng điện của nguồn tia X được đặt ở mức 150kV và 40μA tương ứng và thời gian phơi sáng là 0,4s. Để đảm bảo mẫu luôn ở trong tầm nhìn khi quét microCT, độ phân giải được đặt ở mức 3μm, việc tái tạo hình ảnh được thực hiện bằng phần mềm và cuối cùng cấu trúc ba chiều (3D) của mẫu được tái tạo thêm bằng phần mềm Avizo.

Năm hình ảnh trong Hình 2 được xây dựng lại ba chiều liên tục theo hướng gradient cho mỗi mẫu thử kéo dài. Để thuận tiện hơn, hãy lấy năm phần liên tiếp của hình ảnh được hiển thị trong Hình 2.Đối với các phần I, II, III, IV và V (như thể hiện trong Hình 1d). Đối với mỗi hình ảnh trong Hình 2, công suất laser ban đầu tăng từ dưới lên trên. Trong hình 2a, hệ tọa độ được xác định bởi BD và GD được đánh dấu rõ ràng bằng mũi tên màu đỏ. Độ rộng gradient 0,4mm được thể hiện rõ ràng trong hình 2D. Điều đáng chú ý là độ nhám bề mặt của các bộ phận khác nhau khác nhau tùy thuộc vào điều kiện xử lý khác nhau. Đối với các vùng gradient được tạo ra ở công suất laser cao hơn trong Hình 2e, các bề mặt này nhẵn hơn so với các bề mặt được tạo ra ở công suất laser tương đối thấp (Hình 2a và b).

Hình 2 Xây dựng lại ba chiều liên tục của năm mẫu thử kéo theo hướng gradient

Các điểm ảnh màu xanh lá cây trong Hình 3 đại diện cho hình dạng tương ứng của các khiếm khuyết bên trong ba chiều của năm phần, mỗi phần khác nhau. Hình 3 cho thấy sự thay đổi về hình thái, phân phối và phân số thể tích của các khuyết tật theo hướng gradient. Cụ thể, Phần I trong Hình 3a tương ứng với vùng gradient từ 10W+60W đến 25W+60W với hình dạng khiếm khuyết không đều. Trên mặt cắt ngang của mặt phẳng TD-GD (Hình 4a) và mặt phẳng TD-BD (Hình 4c), những khiếm khuyết bất thường này là những khiếm khuyết của mặt phẳng và cũng kéo dài theo hướng TD và GD giữa các lớp chồng chất. Xem xét rằng mẫu thể hiện trong Hình 3a tương ứng với công suất laser thấp ban đầu, những khiếm khuyết này là do đầu vào năng lượng laser không đủ trong quá trình quét ban đầu, mặc dù tổng đầu vào năng lượng laser đủ cao. Khi công suất laser ban đầu tăng lên, phân số thể tích khiếm khuyết của vùng gradient tương ứng với Phần II trong Hình 3b từ 27W+60W đến 41W+60W nhỏ hơn so với Phần I (được hiển thị trong Hình 5 là 0,74%). Phần III trong Hình 3c, tương ứng với công suất laser vừa phải, thực sự chứa ít khiếm khuyết nhất (0,09% trong Hình 5). Các khiếm khuyết trong vùng gradient tương ứng với công suất laser cao hơn trong Hình 3c và d khác với các khiếm khuyết khác *. Đối với Phần IV trong Hình 3d và Phần V trong Hình 3e, hình dạng hình học của khiếm khuyết trở nên nhỏ hơn và có hình cầu. Sự thiếu hụt này được gọi là "lỗ khóa" trong các kim loại được tạo ra bằng cách nung chảy laser chọn lọc (SLM) và thường liên quan đến đầu vào quá mức của công suất laser. Thật thú vị, sự phân bố các khuyết tật hình cầu cho thấy hiện tượng phân tầng so với các trường hợp trong đó công suất laser tương đối thấp và sự phân tầng ít nghiêm trọng hơn ở khu vực dưới cùng của hình 3d. Lỗ khóa lỗ hổng gần như biến mất ở ranh giới của vùng gradient liền kề, nơi nóng chảy tương ứng với công suất laser tương đối thấp. Do đó, người ta có thể cho rằng khiếm khuyết lỗ khóa là do một bể tan chảy với công suất laser quá nóng.

Hình 3 Xây dựng lại ba chiều kết quả quét năm mẫu thử kéo, tiết lộ các khiếm khuyết bên trong của các bộ phận khác nhau trong năm phần

Kích thước của tất cả các khiếm khuyết được phân tích thống kê dựa trên kết quả quét microCT. Kích thước của ba lỗ hổng được lấy ví dụ trong Hình 4b và Hình 4d. Chiều dài khuyết tật trung bình của Hình 4c là khoảng 0,21mm và Hình 4d là khoảng 0,04mm. Do đó, khuyết tật mặt phẳng bất thường được hình thành ở công suất thấp lớn hơn gần 10 lần so với khuyết tật lỗ khóa được hình thành ở công suất cao. Điểm thể tích của các khiếm khuyết cho cả năm phần được phân tích đồng thời. Biểu đồ histogram trong Hình 5 cho thấy sự thay đổi trong phân số khối lượng khiếm khuyết ở các phần khác nhau. Điểm thể tích của Phần I là 2,84% và Phần V là 7,09%. Điểm thể tích khiếm khuyết của Phần III được chuẩn bị từ 43W đến 59W, thấp tới 0,09%. Điều này cho thấy rằng việc tạo ra hợp kim NiTi với đầu vào năng lượng laser trung bình là mong muốn trong việc hình thành số lượng khuyết tật bên trong tối thiểu.

Hình 5 Phân số thể tích khiếm khuyết của mẫu gradient chức năng

Kết quả tái tạo CT scan được thể hiện trong Hình 3 và 4, hình thái bên ngoài và các khiếm khuyết bên trong của mẫu phân loại thay đổi theo sự thay đổi trong công suất laser ban đầu của bước đầu tiên. Ở công suất laser ban đầu thấp hơn, các khiếm khuyết bề mặt thô và mặt phẳng bất thường được hình thành giữa các lớp. Nhưng khi đầu vào năng lượng laser quá lớn, bề mặt nhẵn và lỗ khóa hình cầu sẽ hình thành. So với chúng, cấu trúc vi mô tương ứng với công suất laser ban đầu vừa phải (43W-59W) làm cho bề mặt tương đối nhẵn với các khuyết tật tối thiểu, như trong Hình 2c. Xem xét các khiếm khuyết bên trong như trong Hình 6, bước quét laser đầu tiên có công suất thấp hơn, dẫn đến một số lượng lớn các khiếm khuyết bất thường có thể được loại bỏ một phần bằng cách quét laser lặp đi lặp lại, như trong Hình 6d. Nhưng đầu vào quá mức của năng lượng laser, chẳng hạn như quét laser ban đầu với công suất không đổi 60W và quét laser thứ cấp 60W, một mặt thúc đẩy sự hình thành pha B19'và mặt khác dẫn đến sự hình thành nhiều lỗ khóa hơn. Vì vậy, điều rất quan trọng là chúng ta biết các bước quét laser đầu tiên và thứ hai. Những thực tế này gợi ý rằng chúng ta nên tránh sử dụng công suất laser thấp dưới 30W trong lần quét đầu tiên vì điều này sẽ dẫn đến quá nhiều khiếm khuyết bất thường. Nhưng một khi công suất laser ban đầu lớn hơn 60W, công suất laser thứ cấp không nên quá cao để tránh hình thành lỗ khóa.

Quét hợp kim bộ nhớ NiTi với chức năng gradient bằng microCT có độ phân giải cao, hình dung không phá hủy hình thái bên ngoài và khiếm khuyết bên trong của nó, cơ chế hình thành khiếm khuyết được tiết lộ kết hợp với các phương tiện phân tích khác, các khuyến nghị hướng dẫn cho các điều kiện lựa chọn phương tiện xử lý laser lặp đi lặp lại, là phương tiện thử nghiệm để nghiên cứu hợp kim bộ nhớ NiTi * với chức năng gradient.