江蘇激光聯盟陳長軍導讀：

激光粉末床熔接是一種3D打印技術，在制造業中具有巨大潛力，尤其是在制造具有複雜幾何形狀的鎳钛形狀記憶合金時。盡管這種制造技術在生物醫學和航空航天領域的應用很有吸引力，但它很少展示鎳钛形狀記憶合金在特定應用中所需的超彈性。3D打印過程中産生的缺陷和施加在材料上的變化阻止了3D打印鎳钛中出現超彈性。

左側顯示了鎳钛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，例如鎳钛晶格（右）。來源：Texas A&M Engineering

德克薩斯農工大學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。

這項研究最近發表在《物質學報》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。

由于鎳钛形狀記憶合金能夠在加熱或消除外加應力後恢複到原來的形狀，因此有各種應用。因此，它們可用于生物醫學和航空航天領域的支架、植入物、手術設備和飛機機翼。然而，開發和正确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構。

“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，但将其制成複雜形狀需要微調，以确保材料具有所需的性能。”第一作者Lei Xue如是說。

(a)小區域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，它提供了一種高效、高效地生産鎳钛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，因為它可以創建具有複雜幾何形狀的零件，而這在傳統制造中是不可能的。

Xue說：“我們用3D打印機将合金粉末鋪在基底上，然後用激光熔化粉末，形成一整層。我們重複這種分層，掃描相同或不同的圖案，直到形成所需的結構。”

(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建方向和掃描方向的示意圖，(c)激光掃描時熔層内的熱梯度方向。

遺憾的是，大多數鎳钛材料無法承受當前的激光粉末床熔接工藝，通常會導緻打印缺陷，如因較大的熱梯度和氧化脆性而導緻的氣孔、翹曲或分層。此外，由于打印過程中的蒸發，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建的優化框架，該框架可以确定最佳工藝參數，以實現無缺陷結構和特定材料特性。

利用這一框架，以及成分的變化和精細的工藝參數，研究人員制造了鎳钛零件，在打印狀态下（無需制造後熱處理）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打印生産形狀記憶合金的能力增強了超彈性，這意味着該材料更能處理應用變形。使用3D打印開發這些優質材料将減少制造過程的成本和時間。

未來，研究人員希望他們的發現将導緻打印鎳钛形狀記憶合金在生物醫學和航空航天應用中的更多使用。

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

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

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