研究人員開發(fā)出具有優(yōu)異超彈性的3D打印形狀記憶合金

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：激光粉末床熔接是一種3D打印技術(shù)，在制造業(yè)中具有巨大潛力，尤其是在制造具有復(fù)雜幾何形狀的鎳鈦形狀記憶合金時。盡管這種制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用很有吸引力，但它很少展示鎳鈦形狀記憶合金在特定應(yīng)用中所需的超彈性。3D打印過程中產(chǎn)生的缺陷和施加在材料上的變化阻止了3D打印鎳鈦中出現(xiàn)超彈性。

左側(cè)顯示了鎳鈦粉末的電子顯微照片。研究人員可以使用這種粉末制造3D打印部件，例如鎳鈦晶格（右）。來源：Texas A&M Engineering

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員最近通過激光粉末床熔合制備了一種形狀記憶合金，展示了優(yōu)異的拉伸超彈性，幾乎是3D打印文獻中報道的最大超彈性的兩倍。

這項研究最近發(fā)表在《物質(zhì)學(xué)報》第229卷上。

在AM Ni51的S100樣品中，大面積電子背散射衍射（EBSD）取向和反極圖（IPF）圖。

由于鎳鈦形狀記憶合金能夠在加熱或消除外加應(yīng)力后恢復(fù)到原來的形狀，因此有各種應(yīng)用。因此，它們可用于生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的支架、植入物、手術(shù)設(shè)備和飛機機翼。然而，開發(fā)和正確制造這些材料需要進行廣泛的研究，以表征功能特性和檢查微觀結(jié)構(gòu)。

“形狀記憶合金是一種能夠記住其高溫形狀的智能材料，盡管形狀記憶合金有多種用途，但將其制成復(fù)雜形狀需要微調(diào)，以確保材料具有所需的性能�！钡谝蛔髡週ei Xue如是說。

(a)小區(qū)域EBSD方向和IPF地圖，(b) AM Ni51.2Ti48.8的S100材料的KAM地圖，平面外的構(gòu)建方向。KAM地圖考慮3個最近的鄰居。

激光粉末床熔接是一種增材制造技術(shù)，它提供了一種高效、高效地生產(chǎn)鎳鈦形狀記憶合金的方法，為快速制造或原型制造提供了一條途徑。這項技術(shù)類似于聚合物3D打印，使用激光逐層熔化金屬或合金粉末。逐層工藝是有益的，因為它可以創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的零件，而這在傳統(tǒng)制造中是不可能的。

Xue說：“我們用3D打印機將合金粉末鋪在基底上，然后用激光熔化粉末，形成一整層。我們重復(fù)這種分層，掃描相同或不同的圖案，直到形成所需的結(jié)構(gòu)。”

(a)本研究中AM Ni51.2Ti48.8矩形棱鏡的掃描模式和拉伸試樣取向示意圖，(b) AM樣品中B2奧氏體晶格取向相對于構(gòu)建方向和掃描方向的示意圖，(c)激光掃描時熔層內(nèi)的熱梯度方向。

遺憾的是，大多數(shù)鎳鈦材料無法承受當(dāng)前的激光粉末床熔接工藝，通常會導(dǎo)致打印缺陷，如因較大的熱梯度和氧化脆性而導(dǎo)致的氣孔、翹曲或分層。此外，由于打印過程中的蒸發(fā)，激光可以改變材料的成分。

為了解決這個問題，研究人員使用了他們在先前研究中創(chuàng)建的優(yōu)化框架，該框架可以確定最佳工藝參數(shù)，以實現(xiàn)無缺陷結(jié)構(gòu)和特定材料特性。

利用這一框架，以及成分的變化和精細的工藝參數(shù)，研究人員制造了鎳鈦零件，在打印狀態(tài)下（無需制造后熱處理）始終顯示出6%的室溫拉伸超彈性。這種超彈性水平幾乎是以前在3D打印文獻中看到的數(shù)量的兩倍。

STEM圖像和EDS圖顯示了AM Ni51.2Ti48.8的S100樣品中的二次相顆粒。

通過3D打印生產(chǎn)形狀記憶合金的能力增強了超彈性，這意味著該材料更能處理應(yīng)用變形。使用3D打印開發(fā)這些優(yōu)質(zhì)材料將減少制造過程的成本和時間。

未來，研究人員希望他們的發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致打印鎳鈦形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用中的更多使用。

這項研究由美國陸軍研究實驗室、國家優(yōu)先研究計劃撥款、卡塔爾國家研究基金和美國國家科學(xué)基金會撥款資助。

來源：Laser Powder Bed Fusion of Defect-Free NiTi Shape Memory Alloy Partswith Superior Tensile Superelasticity, Acta Materialia (2022). DOI:10.1016/j.actamat.2022.117781