華南理工：納米粒子改性增材制造NiTi形狀記憶合金！

來源：材料科學(xué)與工程


從物理冶金學(xué)過程上來說，選區(qū)激光熔化（Selective laser melting，SLM）增材制造技術(shù)是一個(gè)有序的構(gòu)建過程，其中金屬粉末顆粒快速熔化，隨后逐道次、逐層凝固獲得具有特定設(shè)計(jì)構(gòu)型的金屬構(gòu)件。這些有序熔池和循環(huán)熱歷史的存在通常會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)相鄰熔池之間形成三個(gè)特征區(qū)：熱影響區(qū)（Heat-affected zone, HAZ）、過渡區(qū)（Transition zone, TZ）和細(xì)小胞狀晶區(qū)（Cellular-grain zone, CGZ）。這三個(gè)區(qū)域構(gòu)成了組成基體的一個(gè)基本單元，本文將其定義為功能基元。

鑒于SLM NiTi合金功能基元內(nèi)復(fù)雜熱歷史以及Ni4Ti3和Ti2Ni沉淀相形成的不同動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)需求，可以推測(cè)出這兩種沉淀相將在功能基元內(nèi)的不同位置形成。目前，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在激光處理的Ni50.8Ti49.2合金薄板中，Ni4Ti3沉淀相優(yōu)先在HAZ中形成。目前為止，部分研究工作也已經(jīng)觀察到Ni4Ti3和Ti2Ni沉淀相可以同時(shí)在SLM NiTi合金中形成，然而，迄今為止，尚未有報(bào)道詳細(xì)揭示這兩種類型沉淀相在SLM NiTi合金中的具體析出位置及其對(duì)SLM NiTi合金功能特性的影響。

基于上述問題，華南理工大學(xué)研究者基于納米鎳粒子改性的Ni50.6Ti49.4合金粉末，采用SLM工藝獲得了具有有序功能基元的Ni50.6Ti49.4合金。研究結(jié)果表明，SLM Ni50.6Ti49.4合金的功能基元由三個(gè)特征區(qū)域（HAZ、TZ 和 CGZ）組成，這三個(gè)區(qū)域具有不同的晶粒尺寸和沉淀相的不均勻分布。這三個(gè)特征區(qū)的協(xié)同作用導(dǎo)致SLM Ni50.6Ti49.4合金在循環(huán)壓縮過程中獲得了相對(duì)穩(wěn)定的回復(fù)應(yīng)變和較小的滯后區(qū)域面積。該論文獲得的結(jié)果為通過原始粉末改性調(diào)控SLM NiTi合金的超彈性功能特性提供了新的可能途徑，也可以為SLM工藝調(diào)控NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)提供一種新的策略，進(jìn)一步擴(kuò)大SLM NiTi合金的應(yīng)用范圍。相關(guān)成果以題為“Constructing function domains in NiTi shape memory alloys by additive manufacturing”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。

論文鏈接：
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17452759.2022.2053821

圖1.未改性、改性粉末的形貌和SLM制備得到的NiTi合金


圖2.改性NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)


圖3.改性NiTi合金不同特征區(qū)域的沉淀相類型與分布


圖4.未改性和改性NiTi合金的超彈性表征


圖5.相鄰熔池的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果以及功能基元形成的熱歷史條件


圖6. 功能基元的有序構(gòu)建示意圖及其性質(zhì)

總的來說，該論文在未改性和改性NiTi合金中都觀察到了有序的功能基元，但具體的微觀結(jié)構(gòu)明顯不同，表現(xiàn)出不同的超彈性功能特性，為SLM NiTi合金定制化應(yīng)用提供了可能。論文作者詳細(xì)研究了SLM NiTi合金中功能基元的微觀結(jié)構(gòu)特征、形成機(jī)理等。

研究發(fā)現(xiàn)

1）通過在原始Ni49.6Ti50.4合金粉末中加入納米尺寸的Ni顆粒，可以獲得納米Ni顆粒均勻改性的Ni50.6Ti49.4合金粉末。

2）在改性NiTi合金中，盡管功能基元的所有區(qū)域基體都是奧氏體相，但表現(xiàn)出不同沉淀相析出行為：在HAZ的晶粒內(nèi)部析出1-3 nm的Ni4Ti3沉淀相；在TZ的晶粒內(nèi)部析出8-18 nm的Ti2Ni沉淀相；在CGZ中沿晶界析出30-45 nm的Ti2Ni 沉淀相，三個(gè)區(qū)域經(jīng)歷的特定熱歷史導(dǎo)致了這些特殊沉淀析出行為。

3）納米Ni顆粒的添加能夠調(diào)控SLM NiTi合金的相變溫度，并顯著改變SLM NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)，為SLM工藝調(diào)控NiTi合金的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控其功能特性提供了一種新的策略。

4）循環(huán)壓縮結(jié)果表明，改性NiTi合金比原始NiTi合金表現(xiàn)出更穩(wěn)定的回復(fù)應(yīng)變和更小的滯后面積。改性NiTi合金中更穩(wěn)定的回復(fù)應(yīng)變歸因于功能單元中Ni4Ti3沉淀相和小尺寸Ti2Ni納米沉淀物對(duì)位錯(cuò)形成與運(yùn)動(dòng)的有效抑制。此外，較小的滯后面積則源于HAZ和TZ中的高密度納米沉淀相以及壓縮過程中三個(gè)區(qū)域梯度發(fā)生的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變。