通过晶界改性实现准线性超弹性和循环稳定性的增材制造双区NiTi合金

本文报道了通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制备具有异质微观结构的Ti-55Ni（at.%）双区合金。该合金通过原位循环热处理，在晶界处析出高模量Ni3Ti和Ni3Ti2相（非转变区），在柱状晶内部析出低模量Ni4Ti3相（转变区），从而实现了27 GPa的低弹性模量、超过9%的弹性应变（1600 MPa下）和优异的循环稳定性（1200 MPa下超过2×105次循环）。这项工作为设计新型超弹性材料提供了新思路。

　　

Highlight

异质微观结构的双区合金

图3展示了双区合金的异质微观结构，揭示了晶粒形态、成分分布和析出相分布。图3(a)的背散射电子（BSE）结果显示合金沿构建方向（BD）呈现明显的柱状晶。相应的波长色散谱（WDS）分析（图3(a₁和a₂)）显示未发现未熔化的Ni粉末或富Ni漩涡，证实了Ni粉末的完全熔化。合金的相对密度高达99.8%，表明其优异的致密性。

异质微观结构的演变

这种独特的异质微观结构是双区合金卓越超弹性和循环稳定性的根源。如3.1节所述，该结构由高模量晶界区和低模量晶内区组成，其中Ni₃Ti、Ni₃Ti₂和纳米尺寸的Ni₄Ti₃相沿晶界析出，而Ni₄Ti₃和R相则在晶内析出。这种独特的析出行为是由LPBF过程中快速的熔凝循环和原位循环热处理所驱动的。

结论

通过LPBF制备的原位合金化Ti-55Ni双区合金含有非均匀分布的高密度富Ni析出相（Ni₃Ti、Ni₃Ti₂和Ni₄Ti₃相），成功克服了强度与超弹性应变之间的权衡难题，并显著提高了循环稳定性。在LPBF的原位循环热处理作用下，Ni₃Ti₂和Ni₃Ti相从大角度晶界（HAGB）处分离出来，而初生和次生Ni₄Ti₃相则从柱状晶内部析出。此外，R相的存在也进一步优化了材料的性能。