Shape memory alloys (SMAs) are a class of material which can revert to their original shape upon removal of thermomechanical stimulus. Among them, Ni-Ti-based SMAs have received a great attention due to their large work output and displacement, good corrosion resistance, and biocompatibility. Owing to the compositional sensitivity of Ni-Ti and toxicity of Ni, the addition of a third element has been extensively studied. In particular, the addition of copper (Cu) improves fatigue stability, and reduce sensitivity to composition. In this work, Ni-Ti and Ni-Ti-Cu free standing thin films were fabricated via microelectromechanical system (MEMS) based process, and tensile and fatigue tests were carried out using a custom-built micro-mechanical tester. Ni-Ti thin film was deposited as Ni-rich films, which also contains Ni4Ti3 semi-coherent precipitates. Lenticular-shaped semi-coherent Ni4Ti3 precipitates in the grain interior can act similarly to grain boundaries, resulting in grain refinement effects that highly improves its cyclic stability. In addition, (Ni,Cu)-rich Ni-Ti-Cu thin films were fabricated with the presence of (Ni,Cu)2Ti precipitates. As the Cu content increases, the volume fraction of precipitates increased while the volume fraction of austenite decreased as confirmed by X-ray diffraction (XRD) patterns. The shape and size of precipitates were confirmed using scanning transmission electron microscopy (STEM) - High-angle annular dark-field (HAADF) images and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Moreover, as Cu content in Ni-Ti-Cu increases, the shape of (Ni,Cu)2Ti precipitate changes from plate-like to spherical, along with a decrease in its size, in which can lead to improvement of fatigue stability.
형상기억합금은 외부의 열 또는 응력의 자극에 의해 바뀐 형상이 자극이 사라지면 원래의 형상으로 되돌아갈 수 있는 합금을 말한다. 형상기업합금 중에서 가장 널리 알려진 재료는 니켈-티타늄 합금으로 큰 출력, 큰 변위, 부식 저항성, 생체적합성 등의 장점이 있다. 하지만 니켈-티타늄 합금은 함량에 대한 민감도가 높고 니켈에 의한 독성이 있어 니켈-티타늄 합금에 제 3의 원소를 추가하는 연구가 진행되어왔다. 특히, 구리를 제 3의 원소로 추가할 경우 피로안정성이 향상되고 함량에 대한 민감도를 낮출 수 있다는 연구가 보고되어왔다. 이에 따라 본 연구에서는 니켈-티타늄 합금과 니켈-티타늄-구리 합금 자유 지지 박막의 인장 시편을 제작하고 인장 및 피로 거동을 비교하였다. 니켈-티타늄 합금 박막은 니켈 함량이 티타늄 함량보다 높게 증착 되었고 니켈-티타늄 침전물 (Ni4Ti3)이 관찰되었다. 판 형상의 니켈-티타늄 침전물은 결정립 내부에 존재하며 이는 결정립 경계면과 비슷한 역할을 하여 결정립 미세화와 비슷한 효과가 나타난다. 이로 인해서 니켈-티타늄 박막은 벌크 스케일의 니켈-티타늄에 비해 향상된 피로안정성을 보인다. 니켈-티타늄-구리 박막은 니켈과 구리 함량의 합이 티타늄 함량보다 높은 상태로 증착 되었으며 니켈-티타늄-구리 침전물이 관찰되었다. X-선 회절 (X-ray diffraction)을 통해 구리 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 상이 차지하는 부피 분율에 비해 니켈-티타늄-구리 침전물이 차지하는 부피 분율이 증가하는 것이 확인되었다. 침전물의 형상과 크기는 고각 환형 암시야 (high-angle annular dark-field) 기반 주사투과전자현미경 (scanning transmission electron microscopy) 기법과 에너지 분산 성분 분석 (energy dispersive X-ray spectroscopy)을 통해 확인하였다. 구리 함량이 증가함에 따라 침전물의 형상이 판 형상에서 구 형상으로 바뀌고 크기가 작아지는 것을 확인하였고, 피로안정성 향상에 침전물의 형상과 크기가 기여했을 것으로 예상된다.
