增材制造NiTi形狀記憶合金的研究進(jìn)展

來(lái)源： 《金屬加工（熱加工）》2022年底4期

1綜述
NiTi形狀記憶合金具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，同時(shí)具有彈性模量低、耐磨性高、抗腐蝕能力優(yōu)異、加工成形性良好、抗疲勞特性和生物相容性好等優(yōu)良性能，因此廣泛應(yīng)用于航空航天工程、能源工程和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域[1-26]。增材制造（3D打�。┘夹g(shù)是一種數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的宏觀、微觀和納觀一體化控制的集成制造方法，通過(guò)控制系統(tǒng)將線材、粉材、棒材或液態(tài)材料沿著數(shù)字化零件截面進(jìn)行填充成形，最終數(shù)字化零件截面層層堆積而形成完整零件，相較于傳統(tǒng)等材和減材加工方式，增材制造技術(shù)具有加工工序簡(jiǎn)單、加工周期短、材料利用率高和可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速制造的加工優(yōu)勢(shì)[27-31]。金屬激光增材制造過(guò)程是高能激光束、金屬粉末、金屬熔化熔池和已凝固金屬相互作用的耦合過(guò)程。已有研究表明，激光增材制造NiTi形狀記憶合金具有微觀組織晶粒細(xì)小、微觀組織可控、相變過(guò)程可控、力學(xué)和功能特性可控等優(yōu)點(diǎn)，可得到優(yōu)異的抗疲勞性、拉伸延展性、窄滯后超彈性、寬滯后超彈性和大彈熱效應(yīng)[26，32-35]。根據(jù)形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域和工況，通過(guò)調(diào)整增材制造工藝參數(shù)及非平衡凝固條件，可得到面向特定力學(xué)和功能特性需求的NiTi形狀記憶合金材料和零部件。

NiTi形狀記憶合金作為智能材料，可實(shí)現(xiàn)外界激勵(lì)的快速響應(yīng)和形狀變形，滿足智能結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)速度和效率的要求，新興的4D打印技術(shù)是智能材料的增材制造技術(shù)，將NiTi形狀記憶合金、智能結(jié)構(gòu)、外界驅(qū)動(dòng)機(jī)制和增材制造技術(shù)相結(jié)合，增材制造NiTi合金零件可隨著時(shí)間和外界刺激進(jìn)行形狀、性能和功能變化，將3D打印零件增加一個(gè)時(shí)間維度而形成4D結(jié)構(gòu)。4D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜智能結(jié)構(gòu)的近凈成形制造，為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了新的理念，在生物醫(yī)療、航空航天和智能器件方面具有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值[36-38]。目前，增材制造NiTi形狀記憶合金的科學(xué)研究處于起步階段，針對(duì)NiTi合金快速非平衡凝固過(guò)程的微觀組織和性能控制還未完善。

2、 NiTi形狀記憶合金的相變
金屬Ni、Ti元素可形成一個(gè)復(fù)雜二元合金體系，近等原子比NiTi合金的熔點(diǎn)為1310℃，OTSUKA和REN修正的NiTi二元合金相圖[1]如圖1所示，二元合金體系含有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)金屬間化合物Ti2Ni3和Ti3Ni4，三個(gè)穩(wěn)定金屬間化合物TiNi、TiNi3和Ti2Ni。NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性行為由TiNi（也稱為NiTi）相實(shí)現(xiàn)，TiNi相為NiTi合金的主相，晶格為B2結(jié)構(gòu)，富鈦 NiTi 合金溶解度隨溫度保持不變，第二析出相常為Ti2Ni相，B2相對(duì)Ni元素由很強(qiáng)的過(guò)固溶度，富鎳NiTi 合金溶解度隨溫度降低而迅速下降，第二析出相常為亞穩(wěn)相Ti2Ni3和Ti3Ni4，最終穩(wěn)定相為TiNi3。Ti2Ni3和Ti3Ni4兩個(gè)析出相對(duì)NiTi形狀記憶合金的相變溫度、相變路徑、形狀記憶效應(yīng)、超彈性行為和抗疲勞能力具有直接影響。

圖1 NiTi二元合金相圖[1]

NiTi形狀記憶合金的馬氏體相變類型、相變路徑、析出相和相變機(jī)理極其豐富。外界的溫度和應(yīng)力的變化均可誘發(fā)NiTi形狀記憶合金中的熱彈性馬氏體相變，導(dǎo)致其在不同的外界條件下呈現(xiàn)出截然不同的力學(xué)響應(yīng)，NiTi形狀記憶合金的應(yīng)力-應(yīng)變-溫度三者關(guān)系曲線如圖2所示。當(dāng)溫度低于奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度（As）時(shí)，NiTi合金的微觀組織為孿晶馬氏體（Mt），在外界應(yīng)力的作用下，孿晶馬氏體發(fā)生彈性變形；當(dāng)外界應(yīng)力達(dá)到相變開(kāi)始應(yīng)力（σs）時(shí)，NiTi合金發(fā)生孿晶馬氏體（Mt）的去孿晶行為而變成去孿晶馬氏體（Md）；當(dāng)外界應(yīng)力達(dá)到相變結(jié)束應(yīng)力（σf）時(shí)，發(fā)生去孿晶馬氏體的彈塑性變形；當(dāng)卸載外界應(yīng)力時(shí)，NiTi合金的殘余應(yīng)變?yōu)棣舖ax；當(dāng)材料加熱至奧氏體相變開(kāi)始溫度時(shí)，去孿晶馬氏體發(fā)生相變，材料處于奧氏體，將變形后的NiTi形狀記憶合金進(jìn)行加熱而恢復(fù)初始形狀的過(guò)程為形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)溫度高于奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度（As）時(shí)，NiTi合金處于奧氏體狀態(tài)（A），當(dāng)外界應(yīng)力達(dá)到相變開(kāi)始應(yīng)力（σms）時(shí)，NiTi合金由奧氏體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿�孿晶馬氏體（Md）狀態(tài)；相變結(jié)束后繼續(xù)發(fā)生去孿晶馬氏體（Md）的彈性變形；當(dāng)卸載外界應(yīng)力時(shí)，NiTi合金由去孿晶馬氏體（Md）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)，將變形后的NiTi形狀記憶合金進(jìn)行卸載后恢復(fù)初始形狀的過(guò)程為超彈性行為。

圖2 NiTi形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性行為[1]

3  NiTi形狀記憶合金的制備
NiTi形狀記憶合金的制備方法主要有傳統(tǒng)熔煉法、固態(tài)擴(kuò)散法、自蔓延高溫合成法和金屬注射成形法[8]。傳統(tǒng)熔煉法是制備NiTi合金的主要工藝，NiTi 合金中 Ti 元素具有高度化學(xué)活度，在熔煉制造過(guò)程中極易與 C、H、O、N等元素發(fā)生反應(yīng)而引入雜質(zhì)，對(duì)馬氏體相變過(guò)程和微觀組織造成影響，同時(shí)熔煉過(guò)程易存在成分不均勻的凝固缺陷，因此傳統(tǒng)熔煉法存在雜質(zhì)元素較多和成分分布均勻性差的工藝缺點(diǎn)。固態(tài)擴(kuò)散法、自蔓延高溫合成法和金屬注射成形法都屬于粉末冶金工藝范疇，將Ni、Ti兩種金屬元素通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散的方式進(jìn)行合金化，粉末冶金法可解決傳統(tǒng)熔煉法成分不均勻的凝固缺陷，借助粉末冶金模具可制備具有特殊形狀的零部件或多孔結(jié)構(gòu)件，但是粉末冶金法具有雜質(zhì)較多和成本較高的缺點(diǎn)。

機(jī)械加工、塑性成形、鍛造、軋制、拉拔和熱處理等冷熱加工方法屬于對(duì)NiTi合金原始材料的二次加工處理，根據(jù)NiTi合金零件的服役特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的加工和熱處理。在冷加工處理過(guò)程中，易導(dǎo)致NiTi合金溫度升高，產(chǎn)生屈服強(qiáng)度增大和加工硬化現(xiàn)象，造成材料延展性降低和冷加工能力變差；在熱加工處理工藝中，NiTi合金具有良好的高溫延展性，材料屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，熱加工過(guò)程的延展性增大，易于進(jìn)行熱加工制造，但由于Ti元素劇烈的氧化作用而產(chǎn)生第二相雜質(zhì)，從而導(dǎo)致材料脆化而產(chǎn)生開(kāi)裂。

綜上所述，需探索一種低成本、高效率制備高性能NiTi合金的工藝方法，同時(shí)減少二次機(jī)械加工和冷熱處理工藝。

4  NiTi形狀記憶合金的應(yīng)用
NiTi形狀記憶合金具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，是形狀記憶合金中應(yīng)用最廣泛和性能最穩(wěn)定的一類合金，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、航空航天、機(jī)械制造、土木工程、自動(dòng)化控制和汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1，8]。根據(jù)其工作原理，NiTi合金的工程領(lǐng)域應(yīng)用可分為以下三類。

（1）形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用  誘發(fā)馬氏體相變帶來(lái)的形狀記憶效應(yīng)，對(duì)變形后的NiTi合金進(jìn)行升溫處理而使其恢復(fù)至初始形狀，可應(yīng)用于制造緊固連接件、密封結(jié)構(gòu)件、驅(qū)動(dòng)器、散熱器、熱敏感應(yīng)器和智能控制元件等領(lǐng)域。

（2）超彈性行為的應(yīng)用  應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變帶來(lái)的超彈性行為，在避免材料發(fā)生塑性變形的條件下進(jìn)行往復(fù)加載卸載循環(huán)，可應(yīng)用于恒彈力結(jié)構(gòu)、自復(fù)位結(jié)構(gòu)和超彈性結(jié)構(gòu)件。

（3）高阻尼特性的應(yīng)用  利用其抗疲勞特性、穩(wěn)定可靠性和外界條件引發(fā)的馬氏體相變進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)耗能減振，可應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的抗振阻尼器。

NiTi形狀記憶合金的抗腐蝕和良好生物相容性使其在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用空間，已廣泛應(yīng)用于牙科、骨科、矯形外科、微創(chuàng)醫(yī)療器械和介入醫(yī)療器械等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。NiTi合金在骨科植入體領(lǐng)域應(yīng)用最為成熟，由于NiTi合金具有接近人體的彈性模量而用于制造骨組織工程支架和血管支架，其中馬氏體狀態(tài)的彈性模量為28～30GPa，奧氏體狀態(tài)的彈性模量為75～83GPa，可避免應(yīng)力遮蔽對(duì)人體組織或骨骼造成損壞，NiTi合金可在體內(nèi)保持超彈性狀態(tài)而起到支撐力的作用，同時(shí)其變形抗力適中、可恢復(fù)變形量大和抗疲勞性能優(yōu)越，可長(zhǎng)期植入人體承受人體帶來(lái)的循環(huán)載荷而不產(chǎn)生破裂失效[39，40]。

5  NiTi形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)NiTi合金的制備工藝、熱處理工藝、相變類型、熱相變循環(huán)、力學(xué)性能、超彈性行為、形狀記憶效應(yīng)及影響因素等基礎(chǔ)理論方面做了全面研究，同時(shí)在基于NiTi合金的薄膜材料、高溫材料、復(fù)合材料、多孔材料、寬/窄滯應(yīng)力滯后材料、超細(xì)晶材料和低彈高模量材料開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入的研究。上海交通大學(xué)的徐祖耀教授從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行了形狀記憶材料的馬氏體相變理論、制備、加工和應(yīng)用研究，為國(guó)內(nèi)形狀記憶合金的發(fā)展奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，是國(guó)內(nèi)形狀記憶合金材料研究的開(kāi)拓者[41]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙連城和北京大學(xué)的鄭玉峰教授團(tuán)隊(duì)在NiTi合金的工程、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和新型超細(xì)晶材料開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，將NiTi合金絲材和多孔NiTi合金等成功應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[7，9]；日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的OTSUKA教授和西安交通大學(xué)的任曉兵教授團(tuán)隊(duì)在NiTi合金的微觀和納觀結(jié)構(gòu)研究方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究和總結(jié)，首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金中納米應(yīng)變疇凍結(jié)狀態(tài)的應(yīng)變玻璃態(tài)[1，42-45]，解釋了馬氏體相變領(lǐng)域一些長(zhǎng)期無(wú)法解釋的奇特現(xiàn)象；西安交通大學(xué)的丁向東和宗洪祥教授團(tuán)隊(duì)在基于NiTi合金的納米結(jié)構(gòu)材料、核殼結(jié)構(gòu)材料、極端環(huán)境服役和零滯后材料等方面，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法揭示了馬氏體相變的微觀機(jī)制，幫助我們很好理解了相變的微觀機(jī)制和服役行為[46，47]；西北工業(yè)大學(xué)的岳珠峰教授團(tuán)隊(duì)解決了復(fù)雜加載工況條件下的跨微觀-介觀-宏觀多個(gè)尺度的本構(gòu)模型[48]；西南交通大學(xué)的康國(guó)政教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)形狀記憶合金開(kāi)發(fā)出基于晶體塑性理論的熱-力耦合循環(huán)本構(gòu)模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱-力耦合工況條件下的超彈性行為[49，50]；香港科技大學(xué)的孫慶平教授團(tuán)隊(duì)在NiTi合金的納米晶狀態(tài)下的微觀組織、熱滯行為、疲勞特性、晶格特征和力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為納米晶NiTi合金的應(yīng)用提供了充分的理論基礎(chǔ)[51-53]；電子科技大學(xué)曾志教授團(tuán)隊(duì)在柔性可變翼面設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)出基于NiTi彈簧為基礎(chǔ)的變形機(jī)翼結(jié)構(gòu), 相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)能有效提升飛機(jī)的氣動(dòng)性能[54]；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊杰教授團(tuán)隊(duì)將NiTi合金應(yīng)用于柔性機(jī)器人和驅(qū)動(dòng)器中，可有效實(shí)現(xiàn)仿生軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制[55，56]。

綜上所述，傳統(tǒng)NiTi形狀記憶合金的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論已經(jīng)較為成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)工藝所制備的NiTi形狀記憶合金相變特性、力學(xué)特性和功能特性做了系統(tǒng)研究，但近年來(lái)的增材制造技術(shù)在NiTi合金制備方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，增材制造NiTi合金具有高度可控功能和力學(xué)特性、高疲勞性能和超細(xì)晶微觀組織等優(yōu)勢(shì)，但增材制造NiTi合金的理論和應(yīng)用研究處于起步階段，針對(duì)快速非平衡凝固條件下的NiTi合金相變理論、性能調(diào)控機(jī)制和工程應(yīng)用研究較少。

6  增材制造NiTi形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀
增材制造NiTi形狀記憶合金的工藝主要有激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting）、電子束熔化（Electron Beam Melting）、激光熔覆沉積技術(shù)（Laser Engineered Net Shaping）和電弧熔絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing）[57-61]。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)增材制造NiTi形狀記憶合金的研究主要集中在NiTi合金的微觀組織、相變行為、力學(xué)性能、彈熱效應(yīng)和4D打印研究等5個(gè)方面。值得注意的是，國(guó)外學(xué)者在增材制造NiTi合金的研究中搶占了先機(jī)，但國(guó)內(nèi)學(xué)者在增材制造NiTi合金方面的研究在近兩年出現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)，并涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的學(xué)術(shù)成果，尤其在取得優(yōu)異NiTi合金力學(xué)性能、彈熱效應(yīng)和4D打印研究方面，望國(guó)內(nèi)優(yōu)秀學(xué)者能夠在本領(lǐng)域取得更輝煌的成績(jī)，同時(shí)帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展增材制造材料和零件的全面產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

6.1 微觀組織研究
增材制造NiTi形狀記憶合金的微觀組織研究主要在以下方面：激光掃描軌跡形貌、熔池形貌、斷口形貌、織構(gòu)特征、Ti3Ni4和Ti2Ni等析出相分布特征、析出相或馬氏體相與母相的共格關(guān)系、納米晶和非晶組織特征、馬氏體孿晶和位錯(cuò)分布。南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)對(duì)增材制造NiTi合金進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探索了增材制造工藝對(duì)微觀組織形貌、成形過(guò)程溫度場(chǎng)和熔池形狀的影響[62]。華南理工大學(xué)的楊永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光熔覆的方法制備出TiNi-TiN梯度材料，為合成NiTi新型結(jié)構(gòu)合金提供了一種新型工藝方法[63]。北京科技大學(xué)的從道永教授團(tuán)隊(duì)制備出可通過(guò)增材制造工藝參數(shù)進(jìn)行性能調(diào)控的NiTi合金[64]，其微觀組織、相變行為、超彈性行為和彈熱效應(yīng)，可通過(guò)增材制造的激光掃描參數(shù)、熱處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，如圖3～圖6所示。

a）增材制造

b）固溶處理

c）時(shí)效熱效應(yīng)

圖3 微觀組織模擬[64]

a）增材制造

b）固溶處理

c）時(shí)效處理

d）掃描工藝

圖4  溫度-熱流曲線[64]

a）應(yīng)力-應(yīng)變

b）增材制造

c）固溶處理

d）時(shí)效處理

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線[64]

a）增材制造                    b）固溶處理

c）時(shí)效處理                    d）時(shí)間-應(yīng)力曲線

圖6 時(shí)間-溫度曲線[64]

6.2 相變行為研究
增材制造NiTi形狀記憶合金的相變行為研究主要在以下方面：增材制造工藝參數(shù)對(duì)相變路徑和相變溫度的影響、熱處理工藝對(duì)相變路徑和相變溫度的影響、熱循環(huán)相變過(guò)程的相變溫度改變、熱循環(huán)相變穩(wěn)定性和形狀記憶效應(yīng)。美國(guó)托萊多大學(xué)的MOHAMMAD Elahinia教授課題組和肯塔基大學(xué)的HALUK Karaca副教授課題組對(duì)熱處理工藝參數(shù)對(duì)增材制造NiTi合金相變過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究[65-67]，總結(jié)了時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)NiTi合金的相變路徑、相變溫度和形狀記憶效應(yīng)影響機(jī)理，為指導(dǎo)增材制造NiTi合金的熱處理提供了充分的理論和試驗(yàn)依據(jù)，如圖7所示。

a）Ni50.8Ti49.2，30min

b）Ni50.8Ti49.2，1h

c）Ni50.8Ti49.2，1.5h

d）350℃，1h

圖7 熱處理?xiàng)l件對(duì)增材制造NiTi合金相變過(guò)程和形狀記憶效應(yīng)的影響[65]

6.3 力學(xué)性能研究
增材制造NiTi形狀記憶合金的力學(xué)性能研究主要在以下方面：拉伸性能、壓縮性能、超彈性行為、超彈性形變循環(huán)和抗疲勞能力。北京石油大學(xué)的郝世杰教授課題組制備出超越傳統(tǒng)工藝制備NiTi合金的拉伸性能[68]，增材制造NiTi合金的拉伸應(yīng)變達(dá)到15.6%，如圖8所示。將力學(xué)性能的提高歸因于激光掃描策略對(duì)外延生長(zhǎng)柱狀晶形貌的改變，增材層間的激光掃描路徑角度差形成了沿著折線生長(zhǎng)的柱狀晶組織，改變了材料斷裂失效方式，從而提高了NiTi合金的拉伸性能。

圖8 增材制造NiTi合金的優(yōu)異力學(xué)性能[68]

6.4 彈熱效應(yīng)研究
彈熱制冷是新型固態(tài)制冷技術(shù)，與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷工質(zhì)相比，鎳鈦形狀記憶合金等彈熱制冷工質(zhì)無(wú)任何溫室氣體效應(yīng)，且彈熱效應(yīng)能量密度顯著。增材制造NiTi形狀記憶合金的彈熱效應(yīng)研究主要在以下方面：增材制造工藝參數(shù)對(duì)彈熱效應(yīng)的影響、熱處理工藝對(duì)彈熱效應(yīng)的影響和力學(xué)參數(shù)對(duì)增材制造材料彈熱效應(yīng)的影響。西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東和林鑫教授團(tuán)隊(duì)制備出最大壓縮應(yīng)變?yōu)?0%的NiTi合金，在逆相變過(guò)程中達(dá)到最大為－18.6K的制冷溫降[69]，如圖9a所示。西安交通大學(xué)錢蘇昕副教授團(tuán)隊(duì)增材制造出具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗疲勞高性能彈熱制冷NiTi合金[70]，納米尺度TiNi3和NiTi晶界產(chǎn)生的界面錯(cuò)位可以成為相變成核點(diǎn)，有效降低需要相變勢(shì)壘且減小相界面的摩擦耗能，可直接成形柱狀、管狀、蜂窩狀等可應(yīng)用于彈熱制冷回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)，如圖9b所示。

a）高彈熱效應(yīng)NiTi合金

b）抗疲勞高性能NiTi合金

圖9 增材制造NiTi合金的優(yōu)異彈熱效應(yīng)[69，70]

6.5 4D打印研究
4D打印技術(shù)是智能材料的增材制造技術(shù)，4D打印技術(shù)尚處于研究初期階段，所涉及的研究?jī)?nèi)容主要關(guān)于智能材料增材制造工藝和性能、4D智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)制三個(gè)方面，4D打印技術(shù)的出現(xiàn)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了新的理念，使智能結(jié)構(gòu)的近凈成形制造成為可能，可實(shí)現(xiàn)在外界驅(qū)動(dòng)作用下的可編程變形，制造出同時(shí)具有功能性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)性的4D結(jié)構(gòu)件，4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療、航空航天和智能器件方面具有巨大應(yīng)用前景，同時(shí)在其他領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價(jià)值，該技術(shù)是處于初期實(shí)驗(yàn)室研究探索的新興技術(shù)，距離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用具有較大距離。

目前，4D打印結(jié)構(gòu)件具有服役疲勞壽命短、驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性差和驅(qū)動(dòng)精度差的缺點(diǎn)，研究者在保證4D打印材料的增材制造工藝穩(wěn)定性和4D打印結(jié)構(gòu)件的服役穩(wěn)定性需進(jìn)行大量研究，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造理念進(jìn)行4D打印結(jié)構(gòu)-功能-驅(qū)動(dòng)機(jī)制-服役穩(wěn)定性的一體化設(shè)計(jì)，使其在工業(yè)領(lǐng)域得到快速和穩(wěn)定應(yīng)用。西安交通大學(xué)的陳花玲和李滌塵教授課題組做了4D打印技術(shù)的初步研究探索，華中科技大學(xué)的史玉升教授團(tuán)隊(duì)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的周燕副教授團(tuán)隊(duì)對(duì)4D打印技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的理論和應(yīng)用研究[71]，受蝎子縫感受器超敏縫結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，仿生設(shè)計(jì)出梯度縫結(jié)構(gòu)，成形出具有自主形變并能自感知應(yīng)變和溫度的仿生縫結(jié)構(gòu)器件，研究成果將智能材料、仿生結(jié)構(gòu)和4D打印有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了材料水平上傳感-執(zhí)行一體化，為未來(lái)機(jī)器人等智能裝備的關(guān)鍵器件研發(fā)提供了新的思路和途徑，圖10所示為仿生4D打印結(jié)構(gòu)的形狀和電阻轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖10 仿生4D打印器件應(yīng)用于模擬手指動(dòng)作過(guò)程[71]

7  結(jié)束語(yǔ)
增材制造NiTi形狀記憶合金的科學(xué)研究處于起步階段，針對(duì)NiTi合金快速非平衡凝固過(guò)程的微觀組織和性能控制還未完善。本文系統(tǒng)總結(jié)和闡述了增材制造NiTi形狀記憶合金NiTi合金在微觀組織、相變行為、力學(xué)性能、彈熱效應(yīng)和4D打印等5個(gè)方面的研究進(jìn)展和研究不足，值得注意的是，國(guó)外學(xué)者在增材制造NiTi合金的研究中搶占了先機(jī)，但國(guó)內(nèi)學(xué)者在增材制造NiTi合金方面的研究在近兩年出現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)，并涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的學(xué)術(shù)成果，尤其在取得優(yōu)異NiTi合金力學(xué)性能、彈熱效應(yīng)和4D打印研究方面，望國(guó)內(nèi)優(yōu)秀學(xué)者能夠在本領(lǐng)域取得更輝煌的成績(jī)，同時(shí)帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展增材制造材料和零件的全面產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：略