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研究改善镍钛合金材料疲劳寿命

来源: 中国科学报
2019-12-03 09:19 
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A.粉末激光定向能量沉积技术示意图;B. 镍钛合金相图;C-H. 作为范例展示,获得了柱状、管状和蜂窝状结构;

F. 等温加载时各材料行为的对比;G. 绝热加载时各材料行为的对比;H. 各材料的滞后特性和效率的对比

北京时间11月29日,《科学》在线发表了西安交通大学能动学院钱苏昕副教授与美国马里兰大学材料科学工程系等合作论文“增材制造的抗疲劳高性能弹热制冷材料”。

弹热制冷是利用镍钛形状记忆合金在轴向拉伸、压缩、扭转作用下发生可逆相变,并利用该相变潜热制冷的新型固态制冷技术。与传统蒸气压缩制冷工质相比,镍钛形状记忆合金等弹热制冷工质无任何温室气体效应,具有环保的优势。除此之外,弹热效应能量密度显著,在2014年美国能源部评估的17项非蒸气压缩制冷技术排名居首。目前,弹热工质的疲劳寿命是制约其工程应用的首要因素,而且弹热工质、弹热制冷机的效率仍有待提高。

为此,马里兰大学、阿姆斯实验室、科罗拉多矿业大学、西安交通大学、爱荷华州立大学合作,聚焦提升效率和疲劳寿命这两个关键问题,使用粉末激光定向能量沉积技术,制备了具有纳米复合结构的镍钛合金材料,可直接成型柱状、管状、蜂窝状等可用于弹热制冷回热器的结构。与传统熔铸工艺形状记忆合金不同,实验发现了增材制造的镍钛合金具有准线性应力—应变响应、与加载速率无关的回滞特性以及显著降低的相变回滞。先进的原位加载同步X射线衍射和电镜表征表明低相变回滞特性的成因在于纳米尺度Ni3Ti和NiTi晶界产生的界面错位可以成为相变过程的成核点,有效降低相变过程需要克服的势垒,并减小相界面的摩擦损耗。上述特性可以改善疲劳寿命,使得弹热效应在百万次加卸载循环后仍无明显变化。

另外,论文作者钱苏昕等还就增材制造镍钛合金的热力学特性及其在弹热制冷器件中的应用开展了理论分析研究。增材制造镍钛合金与加载速率无关的回滞特性使得其可以有效利用基于绝热相变的布雷顿回热制冷循环,无需以牺牲运行频率和制冷功率为代价运行基于等温相变的斯特林循环。同时,准线性应力-应变特性提高了弹热制冷机中卸载功回收设计的重要性。考虑到现有弹热制冷器件中卸载功回收技术已经成熟,在认为卸载功可完全回收的情况下,以GB/T7725空调标准工况为例,增材制造镍钛合金样品的热力完善度达60%,接近传统熔铸镍钛合金材料热力完善度的4倍。

西安交通大学制冷与低温工程系钱苏昕副教授是该项工作的第一和通讯单位,西安交通大学制冷与低温工程系为第四单位;论文第一作者为西安交通大学制冷与低温工程系侯慧龙博士,论文通讯作者为竹内一郎教授。(张行勇)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aax7616

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