Caracterización de aleaciones base Ni-Ti producidas por solidificación rápida (melt-spinning)

Abstract

En este trabajo se ha caracterizado el efecto memoria de forma y la estabilidad térmica de la transformación martensítica ante varios tratamientos térmicos en varias aleaciones base Ni-Ti fabricadas mediante <i>melt-spinning</i>, un método de solidificación rápida de reciente aplicación en aleaciones con memoria de forma. Las aleaciones estudiadas pertenecen al sistema Ni-Ti, con eventuales adiciones de Cu, Hf o Zr, y han sido caracterizadas mediante varias técnicas experimentales, entre los que cabe destacar el DSC, la máquina de ensayos, el ciclado termomecánico, la difracción de rayos X, y la microscopía electrónica de transmisión. <br/>En primer lugar se han determinado las secuencias de transformación de las aleaciones, así como los parámetros de red de las fases que intervienen en la transformación. Asimismo, la microestructura inicial de las cintas fabricadas mediante <i>melt-spinning</i> es rica en defectos (especialmente dislocaciones y pequeños precipitados) y el tamaño de grano es significativamente más pequeño que los observados en materiales fabricados mediante métodos convencionales. <br/>Cabe destacar que la transformación martensítica en la aleación equiatómica es la que muestra una mayor estabilidad térmica ante tratamientos térmicos severos a 500 ºC, seguida de las aleaciones con Cu, con un comportamiento intermedio, y de las composiciones con Hf y Zr, las cuales presentan la menor estabilidad térmica. A pesar de ser éstas últimas las únicas composiciones de las caracterizadas que transforman a temperaturas considerablemente por encima de la temperatura ambiente, la baja estabilidad térmica de estas últimas se manifiesta incluso con tratamientos térmicos a 300ºC. Además, tratamientos térmicos en martensita llevados a cabo en las aleaciones con Hf y Zr inducen el efecto conocido como estabilización térmica de la martensita, un efecto hasta ahora desconocido en aleaciones base Ni-Ti. Las energías de activación de este fenómeno se han estimado a partir de resultados calorimétricos. El envejecimiento en mezclas de austenita y martensita también produce estabilización térmica de la martensita por <i>pinning</i> (creación de defectos y/o anclajes) en las interfases martensita-austenita. <br/>Aleaciones parcialmente amorfas pueden cristalizarse mediante tratamientos térmicos por encima de la temperatura de cristalización obtenida en el DSC, o bien por debajo de éste, de una manera controlada. La cristalización produce la aparición de pequeños cristales de martensita en las regiones que eran inicialmente amorfas, los cuales transforman a temperaturas mucho más bajas que los grandes cristales de martensita ya existentes en las cintas iniciales. Este cambio de las temperaturas de transformación se atribuye al aumento de los términos no químicos de la ecuación de balance energético de las transformaciones martensíticas termoelásticas. <br/>Finalmente, la caracterización del efecto memoria de forma mediante ciclado termomecánico ha mostrado que las deformaciones recuperables obtenidas son del orden de las obtenidas para las aleaciones fabricadas convencionalmente. Esto certifica la posibilidad de emplear las cintas fabricadas mediante <i>melt-spinning</i> en aplicaciones concretas, con la ventaja de que este método produce aleaciones prácticamente listas para su utilización, sin necesidad de tratamientos mecánicos posteriores. Sin embargo, como se ha visto en este trabajo, los esfuerzos de tensión aplicados a las cintas deben limitarse con el fin de evitar la fractura prematura del material.

In the present work, the shape memory effect and the thermal stability of the martensitic transformation under various thermal treatments have been characterized on several Ni-Ti based alloys cast by melt-spinning, a novel technique on shape memory alloys. The studied alloys belong to the Ni-Ti based system, with eventual additions of Cu, Hf or Zr and have been characterized by means of DSC, mechanical testing, thermomechanical cycling, X-ray diffraction and transmission electron microscopy.<br/>The sequences of the martensitic transformation and the lattice parameters of the melt spun ribbons have been firstly determined. Additionally, the initial microstructures show a big amount of defects (mainly dislocations and small precipitates) and small grain size in comparison to the bulk alloys.<br/>Among all the alloys, the near-equiatomic one show the best thermal stability under severe ageing at 500 ºC, followed by the alloys with Cu and finally by the ones with Hf and Zr additions. The latter ones are the only ones exhibiting transformation temperatures well above room temperature, but their poor thermal stability is shown even at 300 ºC. Moreover, thermal treatments in martensite carried out on the the alloys with Hf and Zr reveal thermal martensite stabilization, which was a novel phenomenon in Ni-Ti based alloys; the activation energies of this process have been estimated. Ageing in mixtures of martensite and austenite on these alloys also promote the thermal martensite stabilization by pinning.<br/>Partially amorphous melt spun ribbons can be crystallized by either thermal treatments above the crystallization temperature shown in the DSC or slightly below, in a controlled way. The crystallization promotes the apparition of small crystals from the initial amorphous regions, which transform at very low temperatures due to changes in the non-chemical terms from the energy balance equation respect to the big crystalline regions that are present in the initial state.<br/>Finally, the shape memory effect characterized by thermomechanical cycling show recoverable strains similar to the ones in bulk alloys, which demonstrate that the melt spun ribbons may be used in potential applications when using reduced tensional stress in order to avoid an early fracture.