改善鎳鈦合金——增材制造的抗疲勞高性能彈熱制冷材料

　　《科學》在線發表了西安交通大學能動學院錢蘇昕副教授與美國馬里蘭大學材料科學工程系等合作論文“增材制造的抗疲勞高性能彈熱制冷材料”。

　　彈熱制冷是利用鎳鈦形狀記憶合金在軸向拉伸、壓縮、扭轉作用下發生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷工質相比，鎳鈦形狀記憶合金等彈熱制冷工質無任何溫室氣體效應，具有環保的優勢。除此之外，彈熱效應能量密度顯著，在2014年美國能源部評估的17項非蒸氣壓縮制冷技術排名居首。目前，彈熱工質的疲勞壽命是制約其工程應用的首要因素，而且彈熱工質、彈熱制冷機的效率仍有待提高。

　　為此，馬里蘭大學、阿姆斯實驗室、科羅拉多礦業大學、西安交通大學、愛荷華州立大學合作，聚焦提升效率和疲勞壽命這兩個關鍵問題，使用粉末激光定向能量沉積技術，制備了具有納米復合結構的鎳鈦合金材料，可直接成型柱狀、管狀、蜂窩狀等可用于彈熱制冷回熱器的結構。與傳統熔鑄工藝形狀記憶合金不同，實驗發現了增材制造的鎳鈦合金具有準線性應力—應變響應、與加載速率無關的回滯特性以及顯著降低的相變回滯。先進的原位加載同步X射線衍射和電鏡表征表明低相變回滯特性的成因在于納米尺度Ni3Ti和NiTi晶界產生的界面錯位可以成為相變過程的成核點，有效降低相變過程需要克服的勢壘，并減小相界面的摩擦損耗。上述特性可以改善疲勞壽命，使得彈熱效應在百萬次加卸載循環后仍無明顯變化。

　　另外，論文作者錢蘇昕等還就增材制造鎳鈦合金的熱力學特性及其在彈熱制冷器件中的應用開展了理論分析研究。增材制造鎳鈦合金與加載速率無關的回滯特性使得其可以有效利用基于絕熱相變的布雷頓回熱制冷循環，無需以犧牲運行頻率和制冷功率為代價運行基于等溫相變的斯特林循環。同時，準線性應力-應變特性提高了彈熱制冷機中卸載功回收設計的重要性。考慮到現有彈熱制冷器件中卸載功回收技術已經成熟，在認為卸載功可完全回收的情況下，以GB/T7725空調標準工況為例，增材制造鎳鈦合金樣品的熱力完善度達60%，接近傳統熔鑄鎳鈦合金材料熱力完善度的4倍。

　　西安交通大學制冷與低溫工程系錢蘇昕副教授是該項工作的第一和通訊單位，西安交通大學制冷與低溫工程系為第四單位；論文第一作者為西安交通大學制冷與低溫工程系侯慧龍博士，論文通訊作者為竹內一郎教授。