电弧增材制造过程中桥接过渡模式的热流体行为、微观结构和机械性能

来源：电子科技大学新闻网

近日，电子科技大学广东电子信息工程研究院（简称“电研院”）曾志教授团队在增材制造领域顶级期刊Additive Manufacturing（中科院一区Top，影响因子11.0）发表题为“Thermal-fluid behavior, microstructure and mechanical properties in liquid bridge transfer mode during directed energy deposition-arc additive manufacturing – Insights using NiTi as a model alloy”的学术论文，以NiTi形状记忆合金为对象，研究了电弧增材制造过程中桥接过渡模式的热流体行为、微观结构和机械性能。博士生柯文超为第一作者，曾志教授为通讯作者。

在电弧增材制造过程中，熔滴过渡、熔池动力学和温度特性对NiTi形状记忆合金（SMAs）构件的宏观形态、显微组织和机械性能有着重要影响。研究结果表明，NiTi形状记忆合金电弧增材制造过程中主要有两种熔滴过渡模式，即桥接过渡和自由过渡，其中桥接过渡模式熔融金属过渡更为平稳，有利于形成稳定的熔池和优异的成形质量，而自由过渡模式熔滴周期性冲击熔池，成形质量较差。此外，桥接过渡模式成形构件具有更窄的相变温度区间，以及良好的超弹性回复特性。通过深入理解熔滴过渡机制，并结合计算流体力学（CFD）模型，能够为NiTi形状记忆合金的增材制造方法提供更好的工艺优化策略。

▲图1 熔滴过渡模式对NiTi形状记忆合金增材制造熔池流动、微观组织和机械性能的影响

未来智能飞行器和机器人等变体结构广泛采用新型功能材料，传统锻造、轧制方法制备的形状记忆合金功能单一，难以满足能变形、变形准、形多变的技术要求。针对组织、相变定量化设计与可控、易控的共性需求，课题组提出了基于超高频脉冲电弧的增材制造方法。建立了熔池传热传质的多相耦合物理模型，揭示了滴搭桥过渡-自由过渡模式的热流体动力学机制，阐明了沉积层中Ni元素蒸发烧损机理。进一步揭示了工艺参数对组织成分的影响和Ni4Ti3等二次相的析出强化机制，解析了沉积层本征外延凝固过程中特定织构沿温度梯度的非平衡、非线性冶金规律，实现了成形构件超弹性和形状记忆效应的定性定量化控制，为变体结构的设计加工奠定了理论和技术基础。

该研究为功能材料加工技术领域带来了新的突破和启示，有望推动低成本、可控增材制造新工艺新方法的发展，进一步提升航空航天、机器人产品质量和制造效率，满足未来变体结构轻量化、智能化的装备技术需求。

近年来，课题组在《Additive Manufacturing》连续发表5篇高水平论文，其中ESI热点论文2篇、高被引论文1篇。

▲图2 NiTi形状记忆合金电弧增材制造构件功能评测，实现了超弹性和形状记忆效应的定性定量化控制

▲图3 NiTi形状记忆合金电弧增材制造沉积成形机制，揭示了组织成分连续性对沉积层冶金反应与力学性能的影响规律

曾志是电子科技大学机械与电气工程学院机器人与无人系统团队核心成员，同时也是电研院科研团队带头人，在莞开展“基于功能梯度材料的仿生爬行机器人设计及增材制造”的研究工作，得到了广东省基础与应用基础研究基金粤莞联合基金地区培育项目的资助。该项目针对仿生机器人快速爬行、方向可控、高稳健能力难以兼得的技术瓶颈，研究一款基于NiTi功能梯度材料为柔性驱动材料的微型爬行机器人，揭示其爬行物理驱动机理，提出可折叠的类外骨骼及仿生关节结构。

代表性论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103807
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102513
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101051