蘭理工/北科大：增材制造鎳鈦合金多尺度強化機制，抗壓性能顯著提升

近期在模擬失效過程方面的進展表明，在以壓縮/剪切為主的載荷作用下，微觀孔隙或空洞會依次演變，先被壓平形成微裂紋，然后旋轉并伸長形成扭結，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，整個過程可以顯著減緩。

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

這三種強化機制的漸進轉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（未經后處理的）形狀記憶合金在壓縮時具有極高的失效應變。高應變下非晶化的發(fā)生歸因于高位錯密度和氧輔助下的能壘降低。因此，這項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計方法。

相關成果以「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：蘭州理工大學博士生馬虎文，共同通訊：蘭州理工大學趙燕春教授、北京科技大學吳淵教授、田納西大學高雁飛教授。

數據概況

圖文摘要

圖1. 鎳鈦形狀記憶合金的力學性能和多個階段。a 使用公式(2)中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型預測臨界應變與失效時應力之間的關系。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力-應變曲線；上方插圖展示了三種不同強化機制的示意圖，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)的合金的壓縮力學性能與其他高性能鎳鈦形狀記憶合金進行比較，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。與我們的結果相近的文獻數據實際上是沉淀強化的。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力-應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行比較。

圖2. 具有類諧波晶粒結構的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的掃描策略示意圖。b 與諧波結構形成相對應的晶粒分布和溫度場的示意圖。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樣品微觀結構影響的總結圖。e 以130瓦功率打印的樣品頂面和側面的電子背散射衍射（EBSD）圖譜、幾何必需位錯（GND）分布圖、極圖和反極圖。頂面的晶粒呈現諧波結構，而側面的晶粒顯示出 “魚鱗狀” 分層結構。f 細晶粒區(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。g 以130瓦功率打印的鎳鈦合金的三維原子探針（3D-APT）重構，重點展示了區(qū)域A中鎳、鈦和氧原子的分布，并相應繪制了氧元素的等值面。

圖3. 初期階段高密度位錯強化和相變強化的證據。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的幾何必需位錯（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 對應于圖3g的晶格畸變分布圖。

圖4. 后期變形階段非晶層的納米級表征及原子模擬驗證。a 納米級非晶層的透射電子顯微鏡分布圖以及相應的選區(qū)電子衍射圖譜。b 圖4a中區(qū)域A的局部放大視圖。c 對應于圖4a的暗場圖像。d 對應于圖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。i 通過密度泛函理論（DFT）計算得到的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。

結論展望
本研究中，通過選擇性激光熔化增材制造（SLM AM）技術成功開發(fā)了一種具有空間分層且在時間上連續(xù)的變形機制的NiTi形狀記憶合金。由選擇性激光熔化制備的樣品在數十微米尺度上表現出馬氏體相變強化，在晶粒尺度上表現出高密度位錯（HDI）強化機制，在納米尺度上則呈現出非晶片層強化。這三種機制依次被激活，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，促進了在宏觀低速壓縮后期B19ʹ相轉變?yōu)榉蔷�相。基于公式�?）中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型進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關系，從而為多尺度順序強化提供了理論基礎。

總之，這項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實的基礎，也為將類似的策略應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