蘭理工/北科大：增材制造鎳鈦合金多尺度強(qiáng)化機(jī)制，抗壓性能顯著提升

近期在模擬失效過程方面的進(jìn)展表明，在以壓縮/剪切為主的載荷作用下，微觀孔隙或空洞會(huì)依次演變，先被壓平形成微裂紋，然后旋轉(zhuǎn)并伸長(zhǎng)形成扭結(jié)，接著與相鄰微裂紋相互作用并合并。如果基體材料具有較高的加工硬化指數(shù)，整個(gè)過程可以顯著減緩。

成果速覽
基于上述研究，蘭州理工大學(xué)趙燕春教授、北京科技大學(xué)吳淵教授以及田納西大學(xué)高雁飛教授通過選擇性激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)，成功制備出具有空間分層和時(shí)間連續(xù)變形機(jī)制的NiTi形狀記憶合金（SMA），其表現(xiàn)出顯著的多尺度強(qiáng)化特性：在百微米尺度上，表現(xiàn)為馬氏體相變強(qiáng)化機(jī)制；在晶粒尺度層面，表現(xiàn)出高位錯(cuò)密度強(qiáng)化機(jī)制；在納米尺度層面，表現(xiàn)出非晶片層強(qiáng)化機(jī)制。

這三種強(qiáng)化機(jī)制的漸進(jìn)轉(zhuǎn)變使材料能夠保持較高的加工硬化速率，從而使得所制備的（未經(jīng)后處理的）形狀記憶合金在壓縮時(shí)具有極高的失效應(yīng)變。高應(yīng)變下非晶化的發(fā)生歸因于高位錯(cuò)密度和氧輔助下的能壘降低。因此，這項(xiàng)工作為高性能形狀記憶合金的開發(fā)提供了一種前所未有的設(shè)計(jì)方法。

相關(guān)成果以「Sequential hardening mechanisms in additive-manufactured NiTi shape memory alloys that can significantly delay compressive failure」為題刊登在Materials Today上，第一作者：蘭州理工大學(xué)博士生馬虎文，共同通訊：蘭州理工大學(xué)趙燕春教授、北京科技大學(xué)吳淵教授、田納西大學(xué)高雁飛教授。

數(shù)據(jù)概況

圖文摘要

圖1. 鎳鈦形狀記憶合金的力學(xué)性能和多個(gè)階段。a 使用公式(2)中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型預(yù)測(cè)臨界應(yīng)變與失效時(shí)應(yīng)力之間的關(guān)系。b 壓縮斷裂過程中裂紋的演變。c 以130瓦功率打印的鎳鈦形狀記憶合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；上方插圖展示了三種不同強(qiáng)化機(jī)制的示意圖，而下方插圖顯示了B2相/非晶相的原子分布。d 將本研究中開發(fā)的合金的壓縮力學(xué)性能與其他高性能鎳鈦形狀記憶合金進(jìn)行比較，包括通過選擇性激光熔化（SLM）制備的樣品、定向能量沉積（DED）制備的樣品、電子束熔化（EBM）制備的樣品、電弧增材制造（WAAM）制備的樣品以及鑄造樣品。與我們的結(jié)果相近的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)際上是沉淀強(qiáng)化的。e 將選擇性激光熔化（SLM）狀態(tài)下的鎳鈦形狀記憶合金的壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與其他研究中鑄造態(tài)和選擇性激光熔化制備的樣品的曲線進(jìn)行比較。

圖2. 具有類諧波晶粒結(jié)構(gòu)的NiTi形狀記憶合金樣品的表征。a 選擇性激光熔化增材制造技術(shù)的掃描策略示意圖。b 與諧波結(jié)構(gòu)形成相對(duì)應(yīng)的晶粒分布和溫度場(chǎng)的示意圖。c 不同打印功率下樣品的里特維爾德精修X射線衍射圖譜。d 說明增材制造功率、掃描速度和粉末層厚度對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)影響的總結(jié)圖。e 以130瓦功率打印的樣品頂面和側(cè)面的電子背散射衍射（EBSD）圖譜、幾何必需位錯(cuò)（GND）分布圖、極圖和反極圖。頂面的晶粒呈現(xiàn)諧波結(jié)構(gòu)，而側(cè)面的晶粒顯示出 “魚鱗狀” 分層結(jié)構(gòu)。f 細(xì)晶粒區(qū)域附近的鎳鈦形狀記憶合金的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸約為300nm。選區(qū)電子衍射（SAED）分析顯示為B2相，能量色散譜（EDS）分析證實(shí)無元素偏析，但氧含量約為3 at.%，幾何相位分析（GPA）和快速傅里葉變換（FFE）分析表明在制備態(tài)條件下存在少量位錯(cuò)。g 以130瓦功率打印的鎳鈦合金的三維原子探針（3D-APT）重構(gòu)，重點(diǎn)展示了區(qū)域A中鎳、鈦和氧原子的分布，并相應(yīng)繪制了氧元素的等值面。

圖3. 初期階段高密度位錯(cuò)強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的證據(jù)。a 以130瓦和160瓦功率打印的樣品的X射線衍射圖譜。b 以130瓦功率打印的樣品的壓縮循環(huán)加載曲線。c 130瓦功率打印的樣品在壓縮前和壓縮塑性變形初期的反極圖（IPF）和相分布圖。d 130瓦功率打印的樣品在壓縮塑性變形初期的反極圖以及相應(yīng)的幾何必需位錯(cuò)（GND）分布圖。e B2相和B19ʹ相的透射電子顯微鏡（TEM）分布圖。f 區(qū)域A和區(qū)域B的快速傅里葉變換（FFT）圖像。g 區(qū)域A和區(qū)域B的原子映射圖像。h 對(duì)應(yīng)于圖3g的晶格畸變分布圖。

圖4. 后期變形階段非晶層的納米級(jí)表征及原子模擬驗(yàn)證。a 納米級(jí)非晶層的透射電子顯微鏡分布圖以及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖譜。b 圖4a中區(qū)域A的局部放大視圖。c 對(duì)應(yīng)于圖4a的暗場(chǎng)圖像。d 對(duì)應(yīng)于圖4a的掃描透射電子顯微鏡能譜。e 圖4b中區(qū)域B的高分辨透射電子顯微鏡圖像。f 圖4e中區(qū)域C和區(qū)域D的快速傅里葉變換（FFT）圖像。g 區(qū)域B的晶格畸變分布圖。h 區(qū)域C的逆快速傅里葉變換圖像，顯示出高密度位錯(cuò)。i 通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算得到的B2相和B19ʹ相的平均原子吉布斯自由能隨氧含量變化的演化示意圖。j 不同氧含量下B2相和B19ʹ相的徑向分布函數(shù)圖。k 不同氧含量下B2相和B19ʹ相在(110)晶面的差分電荷密度分布圖。

圖5. NiTi形狀記憶合金在壓縮試驗(yàn)下的失效情況。a 不同打印功率下壓縮斷裂后樣品的X射線衍射圖譜。b 斷裂試樣的透射電子顯微鏡圖像以及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖譜。c 局部區(qū)域的掃描透射電子顯微鏡能譜分析。d 非晶相和結(jié)晶相界面處的幾何相位分析（GPA）。e 不同打印功率下壓縮失效后樣品的斷口表面形貌，展示了如圖1b所示的圖案特征。

結(jié)論展望
本研究中，通過選擇性激光熔化增材制造（SLM AM）技術(shù)成功開發(fā)了一種具有空間分層且在時(shí)間上連續(xù)的變形機(jī)制的NiTi形狀記憶合金。由選擇性激光熔化制備的樣品在數(shù)十微米尺度上表現(xiàn)出馬氏體相變強(qiáng)化，在晶粒尺度上表現(xiàn)出高密度位錯(cuò)（HDI）強(qiáng)化機(jī)制，在納米尺度上則呈現(xiàn)出非晶片層強(qiáng)化。這三種機(jī)制依次被激活，從而提供了持續(xù)的硬化能力。

在壓縮過程中，高密度的位錯(cuò)和相變提供了足夠的能量，而氧的存在降低了非晶化的能壘，促進(jìn)了在宏觀低速壓縮后期B19ʹ相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷??；诠剑?）中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型進(jìn)一步完善的單軸壓縮失效模型表明，加工硬化能力與壓縮失效的延遲之間存在正相關(guān)關(guān)系，從而為多尺度順序強(qiáng)化提供了理論基礎(chǔ)。

總之，這項(xiàng)工作不僅為高性能鎳鈦形狀記憶合金的快速制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為將類似的策略應(yīng)用于其他合金開辟了新的途徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.04.014