Study of room-temperature superelastic titanium alloys with large recovery strain and their phase stability

大回复应变室温超弹性钛合金及其相稳定性研究

• 批准号: 22H00256
• 负责人: 細田 秀樹
• 金额: $ 27.21万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H00256/
• 关键词: 超弾性効果; チタン合金; 合金開発; 相安定性; マルテンサイト変態; 超弾性; 形状記憶合金; 格子変形歪; すべり臨界応力; 組織

本研究は巨大形状回復ひずみを有する室温超弾性チタン合金の創成と相安定の解明と題し，準安定βTi合金の応力誘起マルテンサイト変態による超弾性ひずみの室温における最大値の追求と，その相安定性を解明するものである．Ti合金の形状記憶・超弾性効果は，Tiのbcc相とそのマルテンサイト斜方晶間の無拡散変態とその格子変形に起因する．室温で超弾性を得るためにはこの相変態温度を室温以下にする必要があり，これはβ安定化元素を十分添加することで達成できる．しかし，それによりbccとhcpの中間的な構造のマルテンサイト相の結晶構造もbccに近づき，格子変形ひずみが大変小さくなる問題がある．我々は，この問題に対し，共析系β安定化元素の少量添加とα安定化元素の多量添加により打破する可能性を見出した。そこで，チタンの室温超弾性での最大可逆変形の限界に挑み，その相安定性を解明することを目的としている．本年度は，Ti-Cr系，Ti-Mo系，Ti-Au系について研究を進めた．特にTi-Cr-Sn系では，室温超弾性が発現することを見出したTi-2.5Cr-8.5Sn, Ti-3.0Cr-7.5Sn, Ti-3.5Cr-7.0Sn, Ti-4.0Cr-6.5Sn (mol%)合金の超弾性挙動の解明を試みた結果，Ti-4.0Cr-6.5Sn合金で6.5％の大きな超弾性歪と641MPaの高いすべり臨界応力，420MPaの超弾性変形応力が達成できることが分かった．これは，本合金が6.3%もの大きな格子変形歪を有することと，かつ，良好な冷間加工性から集合組織の発達と制御が可能であることによる．また，新たな添加元素の可能性としてBiや，CrとAuの同時添加などについて明らかにした．さらに，本合金開発における機械学習の利用や，本アイデアのTi系以外の形状記憶合金への適用などについても進めた．

本研究的目的是创造一种具有巨大形状恢复应变的室温超弹性钛合金，并阐明其相稳定性。我们的目标是找到由于亚稳态βTi的应力诱导马氏体转变而产生的室温超弹性应变的最大值合金，并稳定其相。 Ti合金的形状记忆和超弹性效应是由于Ti的bcc相与其马氏体斜方晶体之间的无扩散转变及其晶格变形所致。为了在室温下获得超弹性，需要将该相变温度降低至室温以下，这可以通过添加足够的β稳定元素来实现。然而，这使得介于bcc和hcp之间的马氏体相的晶体结构接近bcc，从而导致晶格变形应变变得非常小的问题。我们发现通过添加少量的共析β-稳定元素和大量的α-稳定元素来克服这个问题的可能性。因此，我们的目标是挑战钛在室温超弹性下最大可逆变形的极限，并阐明其相稳定性。今年，我们对Ti-Cr、Ti-Mo和Ti-Au体系进行了研究。特别是，Ti-2.5Cr-8.5Sn、Ti-3.0Cr-7.5Sn、Ti-3.5Cr-7.0Sn、Ti-4.0Cr-6.5Sn被发现在Ti-Cr-Sn体系中表现出室温超弹性。 (mol%) 试图阐明该合金的超弹性行为，结果发现，在该合金中可以实现 6.5% 的大超弹性应变、641MPa 的高临界滑移应力和 420MPa 的超弹性变形应力。 Ti-4.0Cr-6.5Sn合金我明白了。这是因为该合金具有6.3%的大晶格变形应变，其良好的冷加工性使其可以发展和控制织构。我们还揭示了添加 Bi 等新元素以及同时添加 Cr 和 Au 的可能性。此外，在使用机器学习开发这种合金以及将该想法应用于钛基以外的形状记忆合金方面也取得了进展。

项目成果

Ti-Ni合金単結晶を用いた応力誘起マルテンサイトの結晶学的解析

Ti-Ni合金单晶应力诱导马氏体的晶体学分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 森 千紘;野平 直希;CHIU Wan-Ting;海瀨 晃;田原 正樹;細田 秀樹
• 通讯作者: 細田 秀樹

医療用Ti-Au-Cr基合金の機械特性・機能性に及ぼすTa元素の添加

添加Ta元素对医用Ti-Au-Cr基合金力学性能和功能的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Chiu Wan-Ting;淵脇 康太;田原 正樹;細田 秀樹
• 通讯作者: 細田 秀樹

Effects of Ta addition on mechanical and functional properties of the Ti-Au-Cr-based shape memory alloys towards biomedical applications

添加 Ta 对生物医学应用 Ti-Au-Cr 基形状记忆合金机械和功能性能的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Wan-Ting Chiu;Kota Fuchiwaki;Masaki Tahara;Hideki Hosoda
• 通讯作者: Hideki Hosoda

Fabrication and mechanical properties of Bi-added Ti-Cr alloys for biomedical applications

• DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.02.173
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Journal of Materials Research and Technology
• 作者: N. Nohira;K. Hayashi;M. Tahara;H. Hosoda

Investigation of the martensite variant reorientation of the single crystal Ni-Mn-Ga alloy via training processes and a modification with a silicone rubber

• DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.127390
• 发表时间: 2023-01-23
• 期刊: MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS
• 影响因子: 4.6
• 作者: Chiu, Wan-Ting;Goto, Akihito;Hosoda, Hideki
• 通讯作者: Hosoda, Hideki