電弧增材制造制備NiTi/Nb仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)演變及力學性能研究

來源：焊接科學

2024年9月3日，吉林大學研究團隊在《Materials Characterization》期刊發(fā)表最新研究文章“Wire arc additive manufacturing NiTi/Nb bionic laminated heterogeneous structure: Microstructure evolution and mechanical properties”，研究了通過電弧增材制造技術(shù)制備NiTi/Nb仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)演變及力學性能。

該研究介紹了NiTi/Nb仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)（LHS）的制備，使用不同的層厚比，通過電弧增材制造技術(shù)，將具有良好塑性的Nb與具有功能特性的NiTi合金相結(jié)合。研究分析了NiTi和Nb層的界面成分、微觀結(jié)構(gòu)以及力學性能，揭示了異質(zhì)共晶微觀結(jié)構(gòu)的形成機制及其增強強度與塑性協(xié)同的機理。

工作亮點

使用電弧增材制造技術(shù)制備NiTi/Nb仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

探討了不同層厚比對微觀結(jié)構(gòu)及界面成分分布的影響。

研究了NiTi/Nb結(jié)構(gòu)中異質(zhì)共晶微觀結(jié)構(gòu)的形成及其對力學性能的影響。

實驗方法
該研究采用多絲電弧增材制造（MWAAM）系統(tǒng)，使用NiTi和Nb金屬絲作為原材料，通過控制工藝參數(shù)（如電流、速度等），交替沉積NiTi和Nb層，形成仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等技術(shù)，研究了沉積層的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。力學性能測試包括顯微硬度測試、壓縮和拉伸實驗。

圖1. 復合MWAAM系統(tǒng)示意圖

圖2. WAAM NiTi/Nb LHS組件的微觀結(jié)構(gòu)和界面元素分布

圖3. 不同區(qū)域的XRD衍射峰

圖4. WAAM NiTi/Nb LHS組件在不同界面處的微觀結(jié)構(gòu)

圖5. WAAM NiTi/Nb LHS組件界面處的元素分布

圖6. WAAM NiTi/Nb LHS組件的TEM圖像

圖7. 沉淀相的TEM圖像

圖8. WAAM NiTi/Nb LHS組件的顯微硬度分布

圖9. 壓縮實驗結(jié)果

圖10. 拉伸實驗結(jié)果

圖11. WAAM NiTi/Nb LHS組件的顯微裂紋擴展路徑

圖12. 拉伸斷裂后的顯微結(jié)構(gòu)

圖13. WAAM NiTi/Nb LHS組件界面處的晶粒結(jié)構(gòu)演變模型

圖14. WAAM NiTi/Nb LHS組件界面處的晶粒結(jié)構(gòu)與幾何位錯生成示意圖

論文總結(jié)

該研究通過電弧增材制造技術(shù)成功制備了NiTi/Nb仿生層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了其在不同層厚比下的微觀結(jié)構(gòu)演變和力學性能差異。NiTi/Nb組件表現(xiàn)出優(yōu)異的壓縮和拉伸強度，具有異質(zhì)共晶結(jié)構(gòu)的樣品在界面處展現(xiàn)出高的結(jié)合強度。研究還揭示了通過調(diào)控界面微觀結(jié)構(gòu)和分層方式，可以顯著提升異質(zhì)結(jié)構(gòu)的力學性能。本研究為增材制造技術(shù)在多材料層狀結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了新的思路。

論文地址
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114326