形狀記憶合金在金屬增材制造中的應用進展

來源： 增材工業(yè)

在當今科技飛速發(fā)展的時代，材料科學與制造技術的創(chuàng)新推動著多行業(yè)的進步,。形狀記憶合金（SMA）作為一類具有獨特性能的智能材料,，正逐漸在金屬增材制造（AM）領域展現(xiàn)出巨大潛力和應用價值。

形狀記憶合金的獨特特性
SMA是一種能夠在變形后恢復其原始形狀的智能材料，其獨特能力源于兩種固相——奧氏體和馬氏體之間的可逆相變,。這種相變可以通過溫度變化（形狀記憶效應- SME）或機械應力（超彈性）來觸發(fā),。例如，當溫度升高到特定值時,，處于馬氏體相的形狀記憶合金會轉變?yōu)閵W氏體相,，從而恢復到其原始形狀；在受到外力作用發(fā)生變形后,，撤去外力,，基于超彈性，合金也能恢復原狀,。

常見的形狀記憶合金包括鎳鈦合金（NiTi）,、銅基合金（Cu-AI-Ni、Cu-Zn-AI）和鐵基合金（Fe-Mn-Si）,。鎳鈦合金因其高生物相容性,、耐腐蝕性和超彈性，在生物醫(yī)學植入物和航空航天執(zhí)行器等領域廣泛應用,；銅基合金是鎳鈦合金的經濟高效替代品,，具有良好的形狀記憶性能，適用于對成本控制較為嚴格的應用場景,；鐵基合金則以其高強度和抗疲勞性著稱,，在結構應用方面表現(xiàn)出色。

SMA在金屬增材制造中的優(yōu)勢
設計靈活性：AM技術能夠生產出傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的復雜幾何形狀,。對于SMA而言,，通過選擇性激光熔化（SLM）或電子束熔化（EBM）等增材制造技術，可以精確控制其微觀結構,，進而優(yōu)化材料性能,。例如，在制造具有復雜內部結構的航空航天部件時,，AM可以根據(jù)實際需求調整形狀記憶合金的微觀組織,，使其更好地滿足使用要求。

定制和原型設計：在航空航天和生物醫(yī)學工程等領域,，往往需要具有獨特屬性的定制組件,。SMA配合增材制造技術，能夠實現(xiàn)快速原型設計和定制化生產,。比如,，在生物醫(yī)學領域，可以根據(jù)患者的具體情況,，利用AM定制個性化的形狀記憶合金植入物,，提高治療效果,。

材料效率：像定向能量沉積（DED）這樣的增材制造工藝，通過逐層添加材料的方式,，能夠最大限度地減少材料浪費,。在使用如鎳鈦合金等昂貴的SMA材料時，這種優(yōu)勢尤為明顯,，可以有效降低生產成本,。

增強的功能：利用SMA的形狀記憶效應和超彈性，制造出的產品可以具備內置的驅動和阻尼能力,。這使得它們在機器人和自適應航空航天結構等應用中表現(xiàn)出色,。例如，在機器人領域,，SMA制成的執(zhí)行器可以像肌肉一樣提供動力,，實現(xiàn)更加靈活和精準的運動。

實際應用領域

航空航天部件
執(zhí)行器和自適應結構：SMA可用于制造輕型,、反應靈敏的飛機執(zhí)行器,。這些執(zhí)行器能夠根據(jù)外部刺激調整形狀，從而提高飛機的空氣動力學效率和燃油經濟性,。例如,，基于鎳鈦合金的形狀記憶合金執(zhí)行器可應用于變形機翼，使其在飛行過程中能夠改變形狀,，優(yōu)化飛行性能,。

熱管理系統(tǒng)：在衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)中，SMA可作為溫度敏感組件,。通過調整自身形狀,，有效地管理衛(wèi)星的散熱問題，確保衛(wèi)星在不同的工作環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的性能,。

可折疊機翼 來源：NASA

生物醫(yī)學植入物
支架和正畸器械：鎳鈦合金的生物相容性和超彈性使其成為生產自膨脹支架的理想材料,。這種支架可以在壓縮狀態(tài)下插入人體，然后在體內膨脹,，支撐血管,，恢復血管的正常功能。同樣,，基于SMA的正畸絲能夠隨著時間的推移施加一致的力，減少患者頻繁調整的次數(shù),，提高正畸治療的便利性和效果,。
骨固定裝置：利用3D打印技術制造的SMA螺釘和板，可以更好地適應復雜的骨結構,。它們能夠根據(jù)骨骼的形狀進行調整,，提供更有效和個性化的治療方案,，促進骨骼的愈合。

來源：benewtec

機器人執(zhí)行器
軟機器人：SMA為軟機器人領域帶來了革命性的變化,。通過 3D 打印技術,，將鎳鈦合金線材制成機器人夾持器，使其能夠根據(jù)所處理物體的形狀和重量,，自動調整抓握強度和形狀,，實現(xiàn)更加精準和靈活的操作。
醫(yī)療機器人：在微創(chuàng)手術機器人中,，SMA組件能夠提供精確,、可控的運動。這有助于降低手術過程的侵入性,，提高手術的精度和安全性,，減少患者的創(chuàng)傷和恢復時間。

汽車零部件
溫度響應元件：基于SMA的執(zhí)行器可以集成到汽車氣候控制系統(tǒng)中,。根據(jù)車內溫度的變化,，自動調節(jié)氣流，為乘客提供更加舒適的駕乘環(huán)境,。此外,，SMA彈簧還可應用于車輛安全系統(tǒng)，例如在車輛受到撞擊時,，可展開保險杠能夠迅速啟動,，提供額外的保護。

能源和環(huán)境應用
智能電網(wǎng)和傳感器：在智能電網(wǎng)中,，SMA可用于動態(tài)管理負載,，優(yōu)化能源分配，提高電網(wǎng)的運行效率和穩(wěn)定性,。同時,，它們還可以用于制造響應式傳感器，能夠實時感知環(huán)境變化,，并提供準確的數(shù)據(jù),，為能源管理和環(huán)境保護決策提供有力支持。

SMA面臨的挑戰(zhàn)
盡管SMA在金屬增材制造領域有著廣闊的應用前景,，但仍面臨一些需要解決的挑戰(zhàn),。

材料成本高：形狀記憶合金，尤其是鎳鈦合金,，價格相對昂貴,。因此，在應用過程中,，成本管理至關重要,。需要通過有效的工藝優(yōu)化,，最大限度地減少增材制造過程中的材料浪費，降低生產成本,。

加工復雜性：在SLM和EBM等增材制造工藝中,，熱循環(huán)會引發(fā)不良的相變，導致材料內部應力產生,，進而降低材料性能,。精確控制這些工藝參數(shù)，對于保持形狀記憶合金所需的形狀記憶和超彈性性能至關重要,。

表面光潔度和后處理需求：AM工藝通常會使制造出的產品表面較為粗糙,。對于生物醫(yī)學等對表面光潔度和生物相容性要求較高的應用領域，需要進行后處理,。例如,，可以采用電解拋光或激光精加工等技術來改善表面質量，滿足相關標準,。
可擴展性問題：雖然增材制造技術非常適合原型設計和小規(guī)模生產,，但由于形狀記憶合金的特殊要求，在擴大生產規(guī)模時,，可能會面臨成本過高和技術難度較大的問題,。需要進一步探索和研究，尋找有效的解決方案,，實現(xiàn)大規(guī)模生產,。

應對挑戰(zhàn)的可行見解
聚焦工藝優(yōu)化：利用先進的模擬工具，對SMA的AM參數(shù)進行優(yōu)化,，如激光功率,、掃描速度和構建方向等。通過精確控制這些參數(shù),，可以減少制造過程中的缺陷,，增強材料性能。

與材料科學家合作：與材料科學家緊密合作,，共同開發(fā)滿足特定應用需求的定制形狀記憶合金成分,。通過AM技術對合金的微觀結構進行定制，可以顯著提升其性能,，更好地滿足不同領域的應用要求,。

注重后處理技術：在產品規(guī)劃階段的早期，就應采用適當?shù)暮筇幚矸椒�,，如熱處理和表面處理等,。通過這些后處理手段，確保最終產品符合必要的質量標準,，提高產品的性能和可靠性,。

利用混合制造方法：將AM與傳統(tǒng)減材方法相結合，可以有效克服增材制造在某些方面的局限性,，如表面光潔度質量和可擴展性問題,。通過優(yōu)勢互補，提高生產效率和產品質量,。

實施質量控制措施：制定嚴格的質量控制協(xié)議,，對3D打印的SMA的微觀結構特性和機械性能進行監(jiān)控和管理。通過確保產品質量的一致性和可靠性,，提高產品的市場競爭力,。

隨時了解法規(guī)合規(guī)性：對于生物醫(yī)學和航空航天等對法規(guī)要求嚴格的領域，必須遵守相關的行業(yè)標準和法規(guī),。定期與監(jiān)管機構進行溝通,，及時更新生產流程，以滿足不斷變化的法規(guī)要求,。

來源：comsol

形狀記憶合金為金屬增材制造帶來了新的變革,，為眾多行業(yè)生產復雜的高性能組件提供了新可能。通過深入了解其在AM中的實際應用,、優(yōu)勢和挑戰(zhàn),，我們能夠不斷推動創(chuàng)新，優(yōu)化生產流程,，在這一快速發(fā)展的領域中保持競爭優(yōu)勢,。相信在未來，隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新,，形狀記憶合金在金屬增材制造領域將發(fā)揮更加重要的作用,，為各個行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機遇和突破。

參考論文：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.213