在全球形狀記憶合金市場正處于穩(wěn)步增長的階段，特別是在亞太地區(qū)和中國市場，增長潛力巨大。同時，技術創(chuàng)新和應用領域的擴展將繼續(xù)推動市場的進一步發(fā)展。例如，通過優(yōu)化增材制造過程中的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、掃描間距等，可以控制熔池、晶粒、析出物、缺陷等的組織特點，進而影響合金的力學性能、相變溫度、形狀記憶效應、超彈性和表面質(zhì)量。

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本期，借助中國有色金屬學報的分享，本期與網(wǎng)友共同領略關于關于增材制造形狀記憶合金的最新進展。

3D科學谷洞察

“形狀記憶合金在多個細分領域有著獨特的應用優(yōu)勢，增材制造技術能夠精確構(gòu)筑具備復雜幾何構(gòu)型的形狀記憶合金，此類合金在航空航天、生物醫(yī)學、電子機械等尖端領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力與價值。例如，當前市場關注熱點的機器人組件開發(fā)應用，可以提高機器人性能；在航空航天領域，形狀記憶合金已有五十多年的應用歷史；在生物醫(yī)學領域，形狀記憶合金的應用包括牙科植入術、活塞、導管等。增材制造技術（如選區(qū)激光熔化增材制造技術、激光粉末床融合技術、4D打印技術）的發(fā)展，提升了形狀記憶合金的成分精度、超彈性、形狀記憶性能等特性，并拓展了合金的加工使用范圍。通過調(diào)節(jié)合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制備出更符合性能要求的記憶合金材料。”

 研究背景

增材制造作為一種革命性的技術，能夠以前所未有的自由度制造復雜部件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型提供了巨大契機。受其兼具靈活性與可控性特點的啟發(fā)，增材制造技術也備受形狀記憶合金領域青睞。然而，制備具有理想的微觀結(jié)構(gòu)及性能、并兼具功能性的形狀記憶合金是一項艱巨的挑戰(zhàn)。如今，隨著3D打印技術的升級，形狀記憶合金類型的拓展以及熱處理工藝的應用，實現(xiàn)了多種類型、多種性能的增材制造形狀記憶合金有效的制備與調(diào)控。

 文章亮點

本篇論文從組織特征、性能和前景的角度綜述了增材制造形狀記憶合金的研究進展。首先，介紹了形狀記憶合金增材制造的技術特點，總結(jié)了增材制造形狀記憶合金的微觀結(jié)構(gòu)特征。然后，揭示了相變行為、力學性能和功能特性的影響因素與調(diào)整策略。最終，提出了未來該領域的研究方向與發(fā)展前景。

 圖文解析

1. 形狀記憶合金類型與增材制造技術

增材制造是一種以預先設計的三維模型為基礎，逐層構(gòu)造實現(xiàn)冶金結(jié)合的新技術，表現(xiàn)出設計形狀多樣、節(jié)省原材料、成型速度快及加工成本低等傳統(tǒng)制造方法無法企及的優(yōu)勢。因此，這種智能方法在滿足高效率個性化定制需求方面具有巨大潛力。由于展現(xiàn)出的獨特能力，該技術在形狀記憶合金領域備受青睞。迄今為止，已被成功制備的增材制造形狀記憶合金包括鎳鈦基、銅基、鐵基形狀記憶合金等，如圖1所示。

圖1 增材制造形狀記憶合金類型

代表性的形狀記憶合金增材制造技術包括選區(qū)激光熔融(SLM)、電子束選區(qū)熔化(EBM)、激光定向能量沉積(LDED)與電弧增材制造(WAAM)，具體的特點列在圖2中。

圖2代表性增材制造方法，(a)按原理和不同熱源進行分類，(b)增材制造技術特點

2. 增材制造形狀記憶合金的組織特征

增材制造的形狀記憶合金存在未熔合、鎖孔、球化以及裂紋等缺陷，選擇合適的參數(shù)可以獲得更高的致密度。在一定范圍內(nèi)，增加激光功率或降低掃描速率能夠?qū)崿F(xiàn)更高的相對密度，如圖3所示。此外，能量密度的合理調(diào)控能夠改變?nèi)刍�與凝固行為、軌跡特征與層間連續(xù)性，從而成功生產(chǎn)出接近完全致密的零件。

圖3 不同激光功率和掃描速率打印的Ni50.2Ti49.8合金，(a)SEM圖像，(b)相對密度變化

利用增材制造技術制備的形狀記憶合金會經(jīng)歷動態(tài)的循環(huán)加熱與冷卻過程，這對熔池與晶粒產(chǎn)生了復雜的影響。沿構(gòu)建方向的形狀記憶合金中能夠廣泛觀察到外延凝固現(xiàn)象，它的具體表現(xiàn)為柱狀晶粒與[001]織構(gòu)的形成。在一定的凝固條件下，等軸晶粒在柱狀晶粒生長的終止處出現(xiàn)。此外，晶粒特征與能量密度密切相關。如圖4所示，隨著能量密度增加，F(xiàn)e-17Mn-5Si-10Cr-4Ni合金從柱狀晶(平均晶粒尺寸約為60µm)變?yōu)榈容S晶(直徑小于10µm)，且晶粒取向具有明顯變化。

圖4 增材制造Fe-Mn-Si-Ni-(V，C)合金的EBSD分析，(a)和(c)低能量密度，(b)和(d)高能量密度

3. 增材制造形狀記憶合金的相變行為

圖5總結(jié)了增材制造形狀記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度。對于同一類型合金，轉(zhuǎn)變溫度仍存在明顯的差異，這歸因于打印過程中元素的蒸發(fā)與燒損造的成分不均勻性以及微觀結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、沉淀相等）的強烈變化。因此，改變掃描參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)相變溫度的有效調(diào)控。

圖5 增材制造形狀記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度

4. 增材制造形狀記憶合金的性能

圖6總結(jié)了室溫下增材制造形狀記憶合金的抗拉強度、抗壓強度與伸長率的關系。可以觀察到對于相同成分的合金，性能在一定范圍內(nèi)變化，這取決于微觀結(jié)構(gòu)與相變行為。因此，通過不同的掃描參數(shù)或熱處理方法能夠改變合金的晶粒、沉淀與位錯等微觀結(jié)構(gòu)，從而影響相變行為，提高拉伸與壓縮性能。

圖6 增材制造形狀記憶合金的機械性能，(a)抗拉強度與拉伸應變，(b)抗壓強度與壓縮應變

通過表1可知，增材制造形狀記憶合金具有良好的超彈性與形狀記憶效應。記憶特性取決于組織特征，因此可以通過改變掃描參數(shù)與熱處理工藝進行調(diào)控。下面總結(jié)了提升超彈性與形狀記憶特性的有效方法：（1）從元素含量角度考慮，打印過程中元素的蒸發(fā)或沉淀的形成影響相變，因此調(diào)整元素含量有效提升恢復能力。（2）從晶粒角度考慮，可以改變掃描策略或取樣方式增強性能。（3）從沉淀、位錯、孿晶與層錯考慮，利用熱處理消除殘余熱應力并且誘發(fā)有利結(jié)構(gòu)的形成，進而獲得優(yōu)異性能。

表1 增材制造形狀記憶合金形狀記憶效應與超彈性

應力誘發(fā)馬氏體相變能夠引起形狀記憶合金的彈熱效應。這種極其重要的自冷卻行為對固體冷卻技術的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。Hou等人利用激光定向能量沉積技術制備NiTi形狀記憶合金時加入非轉(zhuǎn)變金屬間相Ni3Ti，探究了沉淀對彈熱效應的貢獻。通過對圖7中的應力應變曲線分析可知，合金表現(xiàn)出準線性行為和顯著降低的滯后，并且在超過100萬次循環(huán)中都具有穩(wěn)定的機械性能和彈熱響應。因此，通過增材制造技術能夠制造出高效、低滯后彈性熱冷卻材料。

圖7 彈性效應的穩(wěn)定性，(a)壓縮應力-應變曲線，(b)不同應變下的彈性冷卻

5. 前景

增材制造技術，能夠精確構(gòu)筑具備復雜幾何構(gòu)型的形狀記憶合金，如圖8所展示的精細多孔結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)具有獨特性質(zhì)，在航空航天、生物醫(yī)學、電子機械等尖端領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力與價值。

此外，本篇綜述論文揭示了材料性能優(yōu)化的無限可能，但要全面解鎖形狀記憶合金在跨學科領域的廣泛應用潛能，亟需在材料、技術、性能、方法這四個關鍵維度實現(xiàn)突破性進展。

圖8 增材制造形狀記憶合金的多孔結(jié)構(gòu)

 研究結(jié)論

(1)現(xiàn)階段，在關于增材制造形狀記憶合金的研究中，優(yōu)先采用粉末床熔融和直接能量沉積方法，通過選擇較大的激光功率或較小的掃描速率構(gòu)建具有較高相對密度的形狀記憶合金。由于3D打印過程中溫度梯度和冷卻速度的差異，形狀記憶合金具有獨特的外延凝固現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為柱狀晶粒和[0 0 1]晶粒取向的形成。通過控制工藝參數(shù)和加工策略，可以獲得理想的微觀結(jié)構(gòu)。

(2)合金成分和掃描參數(shù)的微小變化會引起相變行為的強烈響應，例如平衡狀態(tài)下固溶體相和沉淀相的成分以及相變溫度。特別地，相變溫度的變化強烈依賴于成分的不均勻性，主要歸因于在打印過程中元素的蒸發(fā)、元素的燒損、沉淀的形成以及雜質(zhì)元素的混合。

(3)通過增材制造可以制備高性能的形狀記憶合金。首先，合理地選擇掃描參數(shù)、取樣位置和熱處理工藝，可促進細晶粒強化、析出強化和位錯強化，在不損失過多斷裂應變的情況下有效提高強度。其次，通過元素成分、掃描策略和熱處理方法影響沉淀相、位錯、孿晶和層錯的綜合作用，從而獲得優(yōu)異穩(wěn)定的形狀記憶效應和超彈性。最后，通過調(diào)節(jié)合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制備出具有大潛熱、熵變和低滯后的彈性冷卻材料。

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(4)利用增材制造技術已經(jīng)制備復雜結(jié)構(gòu)（多孔結(jié)構(gòu)）的形狀記憶合金，在航空航天、生物醫(yī)療等領域具有光明的應用前景。但是隨科技的發(fā)展，為滿足增材制造形狀記憶合金在極端條件下的適用性，還需要實現(xiàn)在材料、技術、性能與方法等方面的進一步突破。

來源
中國有色金屬學報 l

哈爾濱工程大學傅宇東、高衛(wèi)紅團隊：增材制造形狀記憶合金的最新進展 |《中國有色金屬學報》英文版重點推薦文章

Citation
Yu-xi YANG, Wei-hong GAO, Bin SUN, Yu-dong FU, Xiang-long MENG. Recent advances on additive manufactured shape memory alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34 (7): 2045-2073.

(責任編輯：admin)

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