通过增材制造对NiTiNb形状记忆合金进行原位合金化

为了解决NiTiNb三元合金结构制造的挑战，山东大学(SDU)的研究人员提出了一种合金设计策略，通过激光粉末床熔融原位合金化和后热处理制备NiTiNb形状记忆合金(SMA)。原位合金化的NiTiNb合金表现出典型的相变特性(例如宽滞后)和良好的机械/功能特性。

这项工作发表在《国际极限制造杂志》上，可以加速基于NiTi 的高性能 SMA 的开发，并促进增材制造智能结构的制造。

NiTi基SMA由于其独特的形状记忆效应和超弹性而在生物医学、航空航天和汽车行业吸引了越来越多的关注。然而，传统铸造和机械加工面临的困难限制了它们的广泛使用，特别是对于那些具有复杂几何形状的材料。

“增材制造(AM)技术是解决镍钛基 SMA 加工挑战的理想方法，”论文通讯作者、山东大学材料科学与工程学院教授王谢斌说。

“在大多数情况下，增材制造技术一直专注于其制备复杂结构的能力，而忽视了其作为冶金工具的能力。为了开发新型镍钛基智能结构，我们需要找到一种集成材料合成的方法这里我们要说的是，为什么不使用混合粉末作为原料而不是预合金粉末，这会缩短新合金的开发周期， 是否需要额外的手段(例如后热处理)来进一步提高性能。增材制造零件的机械性能?”

在过去的几十年里，人们对通过增材制造镍钛基形状记忆合金进行原位合金化进行了一些初步研究，但制造出来的合金总是表现出高度不均匀的微观结构和较差的机械性能。

由于快速凝固特性和复杂的热历史，增材制造 (AMed) NiTiNb SMA 的共晶结构形态与传统制备的零件截然不同。

由于初始微观结构的差异，传统合金的现有热处理方案并不总是与 AMed 合金兼容。迫切需要了解后热处理对 AMed NiTiNb 合金的影响。

SDU研究人员使用预合金NiTi粉末作为基础材料，以确保初生NiTi相的形成，并添加9 at.%元素Nb粉末，旨在扩大热滞后。优化的增材制造工艺参数用于生产致密的 NiTiNb 零件。设计了具有不同保温时间的高温(1273K)固溶处理，以提高 AMed NiTiNb 合金的机械/功能性能。

研究人员对固溶处理对 AMed NiTiNb 合金的微观结构、相变行为和机械/功能性能的影响进行了全面的研究。他们还讨论了微观结构演化、转变行为调节和机械性能增强背后的机制。

“这种合金设计路线的最大优势是材料合成和复杂几何形状净成形的集成，”王谢斌说，“将增材制造技术的成形和冶金优势与镍钛基 SMA 的功能特性相结合，将创造出开发新型智能结构的新机遇。”

研究人员正在继续这项工作，希望通过热等静压等方法提高镍钛基 SMA 的机械性能，使其与锻造零件相当。他们还尝试应用此路线来开发其他基于 NiTi 的三元或四元 SMA。