華南理工：納米粒子改性增材制造NiTi形狀記憶合金
從物理冶金學過程上來說，選區激光熔化（Selective laser melting，SLM）增材制造技術是一個有序的構建過程，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計構型的金屬構件。這些有序熔池和循環熱歷史的存在通常會導致在兩個相鄰熔池之間形成三個特征區：熱影響區（Heat-affected zone, HAZ）、過渡區（Transition zone, TZ）和細小胞狀晶區（Cellular-grain zone, CGZ）。這三個區域構成了組成基體的一個基本單元，本文將其定義為功能基元。
鑒于SLM NiTi合金功能基元內復雜熱歷史以及Ni4Ti3和Ti2Ni沉淀相形成的不同動力學和熱力學需求，可以推測出這兩種沉淀相將在功能基元內的不同位置形成。目前，研究者已經發現在激光處理的Ni50.8Ti49.2合金薄板中，Ni4Ti3沉淀相優先在HAZ中形成。目前為止，部分研究工作也已經觀察到Ni4Ti3和Ti2Ni沉淀相可以同時在SLM NiTi合金中形成，然而，迄今為止，尚未有報道詳細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SLM NiTi合金功能特性的影響。
基于上述問題，華南理工大學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。本期谷.專欄將分享這一研究成果的主要內容。
相關成果以題為“Constructing function domains in NiTi shape memory alloys by additive manufacturing”發表在國際著名期刊Virtual and Physical Prototyping上。
研究結果
華南理工大學團隊的研究結果表明，SLM Ni50.6Ti49.4合金的功能基元由三個特征區域（HAZ、TZ 和 CGZ）組成。
這三個區域具有不同的晶粒尺寸和沉淀相的不均勻分布。這三個特征區的協同作用導致SLM Ni50.6Ti49.4合金在循環壓縮過程中獲得了相對穩定的回復應變和較小的滯后區域面積。
該論文獲得的結果為通過原始粉末改性調控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工藝調控NiTi合金的微觀結構提供一種新的策略，進一步擴大SLM NiTi合金的應用范圍。
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合金的微觀結構
圖3.改性NiTi合金不同特征區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.相鄰熔池的溫度場模擬結果以及功能基元形成的熱歷史條件
圖6. 功能基元的有序構建示意圖及其性質
總結
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，但具體的微觀結構明顯不同，表現出不同的超彈性功能特性，為SLM NiTi合金定制化應用提供了可能。論文作者詳細研究了SLM NiTi合金中功能基元的微觀結構特征、形成機理等。
研究發現：
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域基體都是奧氏體相，但表現出不同沉淀相析出行為：在HAZ的晶粒內部析出1-3 nm的Ni4Ti3沉淀相；在TZ的晶粒內部析出8-18 nm的Ti2Ni沉淀相；在CGZ中沿晶界析出30-45 nm的Ti2Ni 沉淀相，三個區域經歷的特定熱歷史導致了這些特殊沉淀析出行為。
3）納米Ni顆粒的添加能夠調控SLM NiTi合金的相變溫度，并顯著改變SLM NiTi合金的微觀結構，為SLM工藝調控NiTi合金的微觀結構，進而調控其功能特性提供了一種新的策略。
4）循環壓縮結果表明，改性NiTi合金比原始NiTi合金表現出更穩定的回復應變和更小的滯后面積。改性NiTi合金中更穩定的回復應變歸因于功能單元中Ni4Ti3沉淀相和小尺寸Ti2Ni納米沉淀物對位錯形成與運動的有效抑制。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區域梯度發生的應力誘導馬氏體相變。
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