重慶大學(xué)李坤教授團(tuán)隊(duì)：通過激光粉末床熔融調(diào)控微孔率及鎳含量實(shí)現(xiàn)NiTi合金微結(jié)構(gòu)超材料制造 | AMF論文推薦

引用論文

Ruijin Ma, Jianbin Zhan, Jinzhou Wu, Jiahui Fang, Shengqian Wang, David Z. Zhang, Xuan Liang, Huajun Caoe, Kun Li. Achieving Microstructural Meta-Materials in NiTi Alloys by Tailoring Microporosity and Ni Content with Laser Powder Bed Fusion. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200228.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200228.

文章鏈接：

1研究背景及目的

鎳鈦形狀記憶合金因其可逆馬氏體相變產(chǎn)生的超彈性和形狀記憶而被廣泛應(yīng)用于許多智能結(jié)構(gòu)中。這種馬氏體相變可以通過調(diào)整臨界相變應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)。但各種智能結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境，所需的馬氏體相變程度各不相同。大多數(shù)研究中，這種機(jī)械響應(yīng)是通過宏觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。本研究旨在通過調(diào)控LPBF工藝參數(shù)（如激光掃描速度），系統(tǒng)研究微孔率和鎳含量對(duì)NiTi合金相變起始應(yīng)力及超彈性的影響，揭示其協(xié)同作用機(jī)制，為微結(jié)構(gòu)超材料的設(shè)計(jì)提供理論支持。

2論文亮點(diǎn)

（1）通過LPBF技術(shù)協(xié)同調(diào)控NiTi合金的微孔率與鎳含量，實(shí)現(xiàn)相變應(yīng)力的定制化設(shè)計(jì)；

（2）闡明了微孔率（通過應(yīng)力集中降低相變應(yīng)力）與鎳含量（通過彈性能增加提升相變應(yīng)力）對(duì)機(jī)械性能的拮抗作用機(jī)制；

（3）發(fā)現(xiàn)掃描速度1400 mm/s為臨界點(diǎn)，低于此速度時(shí)高密度與高鎳含量協(xié)同提升性能，高于此速度則孔隙率負(fù)面影響占主導(dǎo)。

（4）結(jié)合實(shí)驗(yàn)（EBSD、DSC以及萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)）與熱力學(xué)模型（Lagoudas模型），全面解析微結(jié)構(gòu)演化與宏觀性能的關(guān)聯(lián)。

3試驗(yàn)方法

采用預(yù)合金Ni50.5Ti49.5粉末（粒徑20-60 μm），通過LPBF設(shè)備（FS121M）制備樣品。調(diào)整激光功率（150 W）和掃描速度（900-1800 mm/s），控制孔隙率和鎳蒸發(fā)量。樣品經(jīng)電火花切割后，進(jìn)行壓縮測(cè)試（應(yīng)變6.25%，應(yīng)變率10-3/s）評(píng)估超彈性；通過阿基米德法測(cè)量密度，電解拋光后利用EBSD分析位錯(cuò)密度與相分布，DSC表征相變行為。結(jié)合Lagoudas熱力學(xué)模型，模擬含孔NiTi合金的壓縮響應(yīng)，揭示孔隙對(duì)應(yīng)力集中和相變起始的影響。

4結(jié)果

（1）掃描速度低于1400 mm/s時(shí)，樣品相對(duì)密度＞98%，臨界相變應(yīng)力和可恢復(fù)應(yīng)變率隨速度增加而提升（如1300 mm/s時(shí)臨界應(yīng)力達(dá)600 MPa，應(yīng)變恢復(fù)率＞90%）；速度＞1400 mm/s時(shí)，孔隙率顯著增加（密度降至95%），相變應(yīng)力和恢復(fù)率下降（如1800 mm/s時(shí)臨界應(yīng)力降至450 MPa，恢復(fù)率＜80%）。

（2）EBSD顯示，壓縮后孔隙周圍位錯(cuò)密度（KAM值從0.6°升至0.67°）和B19'相含量（0.4%→0.6%）顯著增加，表明孔隙處優(yōu)先發(fā)生馬氏體相變與塑性變形。

（3）ICP-OES證實(shí)，高速掃描減少鎳燒損（Ni含量從50.2 at.%升至50.8 at.%），提升相變阻力，但過量孔隙抵消其正面效應(yīng)。

5結(jié)論

通過調(diào)控LPBF掃描速度，可平衡NiTi合金的微孔率與鎳含量，實(shí)現(xiàn)相變起始應(yīng)力和超彈性的微觀結(jié)構(gòu)超材料定制化設(shè)計(jì)。低速（＜1400 mm/s）下高密度與適度鎳含量協(xié)同提升性能；高速（＞1400 mm/s）時(shí)孔隙率增加導(dǎo)致應(yīng)力集中和不可逆塑性變形，削弱超彈性。研究揭示了微孔率與鎳含量的拮抗作用機(jī)制，為微結(jié)構(gòu)超材料在智能傳感器、輕量化結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)與工藝優(yōu)化策略。

6前景與應(yīng)用

該成果為NiTi合金微結(jié)構(gòu)超材料的性能定制開辟了新路徑，可應(yīng)用于可調(diào)剛度傳感器、航空航天輕量化部件及高效隔熱結(jié)構(gòu)。未來可通過多尺度建模與工藝-性能閉環(huán)優(yōu)化，進(jìn)一步提升材料功能性與可靠性。

關(guān)于團(tuán)隊(duì)

作者介紹

李坤（本文通訊作者），教授，博士生導(dǎo)師，重慶大學(xué)高端裝備機(jī)械傳動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，新重慶青年創(chuàng)新人才，重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院“弘深青年學(xué)者”特聘專家，海外引進(jìn)人才；高性能智能增材制造實(shí)驗(yàn)室（HπAM）主任，金屬增材制造（3D打印）重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，重慶大學(xué)綠色智能制造研究所副所長(zhǎng)。主要從事高性能金屬增材制造與智能低碳制造研究，長(zhǎng)期專注于高性能先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料的“材料設(shè)計(jì)-相變調(diào)控-性能優(yōu)化-智能加工”四位一體化智能制造。先后主持國(guó)家自然基金及聯(lián)合基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重慶市重大專項(xiàng)、美國(guó)能源部國(guó)際合作項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。已在金屬材料機(jī)械加工領(lǐng)域國(guó)際知名期刊AM、IJMTM、IJMS、Small、JMST、JMPT等發(fā)表論文80余篇，谷歌引用3200余次，連續(xù)多年入選全球前2%頂尖科學(xué)家。擔(dān)任《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》《金屬學(xué)報(bào)》《航空制造技術(shù)》《Frontiers in Materials》《中國(guó)激光》等青年編委，國(guó)際激光組織ICALEO委員、機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造委員會(huì)/增材制造委員會(huì)青年委員、有色金屬學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員。工作期間開發(fā)了多種鎳基合金，稀土鎂合金、超高強(qiáng)鋼激光增材及3D打印工藝及在線檢測(cè)技術(shù)，用于高端裝備關(guān)鍵組件制造及修復(fù)。科研成果榮獲中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(R1)、美國(guó)NASA航空航天局技術(shù)應(yīng)用獎(jiǎng)（年度唯一華人學(xué)者）、國(guó)際激光組織ICALEO學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)、美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)突出研究員獎(jiǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)青年學(xué)者、產(chǎn)業(yè)化成果獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1]Li K, Chen W, Yin B, Ji C, Bai S, Liao R, et al. A comparative study on WE43 magnesium alloy fabricated by laser powder bed fusion coupled with deep cryogenic treatment: Evolution in microstructure and mechanical properties. Addit Manuf. 2023;77.

[2]Li K, Ma R, Zhan J, Wu J, Fang J, Wang S, et al. Insight into the cracking mechanism of super-elastic NiTi alloy fabricated by laser powder bed fusion. Virtual Phys Prototyping. 2024;19(1).

[3]Li K, Liao R, Zheng Q, Zuo C, Yin B, Ji C, et al. Design exploration of staggered hybrid minimal surface magnesium alloy bone scaffolds. Int J Mech Sci. 2024;281.

[4]Zhan J, Li K, Ma R, Zhu L, Fang J, Cao H, et al. Achieving fine tailoring of elastocaloric properties of laser powder bed-fused NiTi alloy via laser beam manipulation. Int J Mach Tools Manuf. 2024;202.

[5]Li K, Fang J, Zhan J, Ma R, Wang S, Yang X, et al. Elastocaloric effect of laser powder bed fused NiTi alloy with customizable hierarchical heterogeneous microstructure. Addit Manuf. 2025;97.

作 者：李 坤

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對(duì)： 金 程

審 核： 張 彤

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