研究人员开发出具有优异超弹性的3D打印形状记忆合金

来源：江苏激光联盟

导读：激光粉末床熔接是一种3D打印技术，在制造业中具有巨大潜力，尤其是在制造具有复杂几何形状的镍钛形状记忆合金时。尽管这种制造技术在生物医学和航空航天领域的应用很有吸引力，但它很少展示镍钛形状记忆合金在特定应用中所需的超弹性。3D打印过程中产生的缺陷和施加在材料上的变化阻止了3D打印镍钛中出现超弹性。

左侧显示了镍钛粉末的电子显微照片。研究人员可以使用这种粉末制造3D打印部件，例如镍钛晶格（右）。来源：Texas A&M Engineering

德克萨斯农工大学的研究人员最近通过激光粉末床熔合制备了一种形状记忆合金，展示了优异的拉伸超弹性，几乎是3D打印文献中报道的最大超弹性的两倍。

这项研究最近发表在《物质学报》第229卷上。

在AM Ni51的S100样品中，大面积电子背散射衍射（EBSD）取向和反极图（IPF）图。

由于镍钛形状记忆合金能够在加热或消除外加应力后恢复到原来的形状，因此有各种应用。因此，它们可用于生物医学和航空航天领域的支架、植入物、手术设备和飞机机翼。然而，开发和正确制造这些材料需要进行广泛的研究，以表征功能特性和检查微观结构。

“形状记忆合金是一种能够记住其高温形状的智能材料，尽管形状记忆合金有多种用途，但将其制成复杂形状需要微调，以确保材料具有所需的性能。”第一作者Lei Xue如是说。

(a)小区域EBSD方向和IPF地图，(b) AM Ni51.2Ti48.8的S100材料的KAM地图，平面外的构建方向。KAM地图考虑3个最近的邻居。

激光粉末床熔接是一种增材制造技术，它提供了一种高效、高效地生产镍钛形状记忆合金的方法，为快速制造或原型制造提供了一条途径。这项技术类似于聚合物3D打印，使用激光逐层熔化金属或合金粉末。逐层工艺是有益的，因为它可以创建具有复杂几何形状的零件，而这在传统制造中是不可能的。

Xue说：“我们用3D打印机将合金粉末铺在基底上，然后用激光熔化粉末，形成一整层。我们重复这种分层，扫描相同或不同的图案，直到形成所需的结构。”

(a)本研究中AM Ni51.2Ti48.8矩形棱镜的扫描模式和拉伸试样取向示意图，(b) AM样品中B2奥氏体晶格取向相对于构建方向和扫描方向的示意图，(c)激光扫描时熔层内的热梯度方向。

遗憾的是，大多数镍钛材料无法承受当前的激光粉末床熔接工艺，通常会导致打印缺陷，如因较大的热梯度和氧化脆性而导致的气孔、翘曲或分层。此外，由于打印过程中的蒸发，激光可以改变材料的成分。

为了解决这个问题，研究人员使用了他们在先前研究中创建的优化框架，该框架可以确定最佳工艺参数，以实现无缺陷结构和特定材料特性。

利用这一框架，以及成分的变化和精细的工艺参数，研究人员制造了镍钛零件，在打印状态下（无需制造后热处理）始终显示出6%的室温拉伸超弹性。这种超弹性水平几乎是以前在3D打印文献中看到的数量的两倍。

STEM图像和EDS图显示了AM Ni51.2Ti48.8的S100样品中的二次相颗粒。

通过3D打印生产形状记忆合金的能力增强了超弹性，这意味着该材料更能处理应用变形。使用3D打印开发这些优质材料将减少制造过程的成本和时间。

未来，研究人员希望他们的发现将导致打印镍钛形状记忆合金在生物医学和航空航天应用中的更多使用。

这项研究由美国陆军研究实验室、国家优先研究计划拨款、卡塔尔国家研究基金和美国国家科学基金会拨款资助。

来源：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