采用放电等离子烧结制备具有原始铝骨架结构的镍钛铝互穿相复合材料的性能研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Functional Architected Al-NiTi Interpenetrating Phase Composites with Primitive Aluminum Cores Fabricated using Spark Plasma Sintering

本研究针对传统金属-金属互穿相复合材料(IPC)制备方法的局限性，创新性地结合增材制造和放电等离子烧结(SPS)技术，首次成功制备了镍钛(NiTi)-铝(Al)互穿相复合材料。研究人员系统探讨了不同烧结温度(560-1000°C)和压力(30-60 MPa)组合对材料微观结构、界面合金化行为及镍钛相形状记忆功能的影响。结果表明，该方法能有效保留镍钛相的功能特性，为设计新型功能复合材料开辟了新途径，相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

　　

在材料科学领域，互穿相复合材料（Interpenetrating Phase Composites, IPCs）因其独特的共连续、相互锁定的两相结构而备受关注。与传统复合材料相比，IPCs能够协同发挥各组分的优势，甚至产生超越混合律（Rule of Mixture, ROM）预测的超常性能。特别是在金属-金属（Metal-Metal, MM）IPCs中，若能引入功能材料，如形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs），将有望赋予材料对外界刺激（如热、力）的智能响应能力。镍钛（NiTi，又称Nitinol）形状记忆合金因其优异的形状记忆效应、超弹性、高阻尼和良好的生物相容性，成为理想的功能相候选材料。然而，传统的MM IPC制备方法通常依赖于将熔点较低的金属熔体浸渍到高熔点金属预制体中，这要求作为骨架的金属具有远高于浸渍金属的熔点。若想将高熔点的镍钛合金作为基体，与低熔点金属（如铝、镁）构建IPC，传统熔体浸渍法将面临巨大挑战，因为高温过程可能导致低熔点金属预制体熔化、变形，或与镍钛发生过度合金化，从而损害镍钛相的功能特性。因此，开发一种能够有效整合高熔点功能相和低熔点金属骨架，并同时保留功能相响应的新型制备技术，成为该领域亟待突破的关键问题。

为了应对这一挑战，来自哈利法科学技术大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项创新性研究。他们摒弃了传统的熔体浸渍思路，另辟蹊径，首次将激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）增材制造技术与放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术相结合，成功制备了以镍钛为基体、以增材制造铝晶格为增强相的镍钛-铝互穿相复合材料。

研究人员为开展此项研究，主要应用了几项关键技术：首先，利用MSLattice软件设计了相对密度为20%的Schwarz Primitive三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）铝晶格结构，并采用LPBF技术进行增材制造，获得了结构精密的铝预制体。其次，选用气雾化预合金镍钛粉末作为基体原料，并对其基本性能（如形貌、成分、相变温度）进行了表征。核心的复合材料制备环节采用SPS技术，系统研究了五种不同的温度（560°C, 700°C, 850°C, 1000°C）和压力（30 MPa, 60 MPa）组合对烧结效果的影响。在后续的材料表征中，综合运用了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）进行微观结构和元素分布分析；采用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）评估镍钛相的相变行为；通过维氏硬度和布氏硬度测试衡量力学性能；并创新性地通过压痕-加热-轮廓测量法来直观地表征材料的形状恢复能力。

研究结果如下：

3.1. 镍钛基体的密度

通过阿基米德原理和SEM表面形貌观察发现，烧结温度和压力对镍钛基体的致密化程度有显著影响。在相同温度下，提高压力（如从560°C/30 MPa到560°C/60 MPa）能有效减少孔隙率，使孔隙分布更均匀。提高烧结温度（如700°C/60 MPa）能进一步改善烧结质量，粉末颗粒间边界更清晰。当温度升至850°C和1000°C（压力30 MPa）时，基体密度达到最高（94.9%），粉末颗粒间扩散充分，孔隙显著减少。密度测量结果与SEM观察一致，表明高温高压有利于获得致密的镍钛基体。

3.2. MM IPC样品的功能行为

DSC测试表明，所有样品的镍钛相在远离铝芯的区域均保留了马氏体相变能力，但相变峰的强度和形状受烧结参数和取样位置影响。在靠近铝芯的区域，由于镍、钛元素向铝中的扩散以及可能的合金化反应，导致镍钛相成分变化，相变峰出现宽化、强度减弱甚至消失的现象，尤其在高温烧结的样品D和E中更为明显。通过压痕-加热恢复实验定量评估了形状记忆效应。结果表明，所有样品均表现出一定的形状恢复能力。在远离铝芯的区域，随着烧结密度提高（从样品A到E），恢复应变总体呈增加趋势。然而，在靠近铝芯的区域，样品B（560°C, 60 MPa）表现出最高的恢复率（37.4%），这表明该参数组合下，界面合金化程度控制在最佳水平，既保证了良好的烧结，又最大限度地减少了对镍钛功能性的损害。高温样品（D, E）近芯区恢复率下降，与DSC中相变峰减弱相对应，证实了过度合金化对功能性的抑制。维氏硬度测试结果与密度变化趋势相符，硬度值随烧结温度升高而增加，样品E的硬度达到210 HV。

3.3. IPC界面层的形成

SEM/EDX元素面分布和背散射电子（Back Scattered Electron, BSE）成像清晰地揭示了界面合金化行为随温度的变化规律。在560°C（样品A, B）下，界面不连续，镍元素向铝中轻微渗透，形成薄层的Al₃Ni，钛的扩散有限。提高压力使界面更均匀。在700°C（样品C）下，界面金属间化合物层变得近乎连续，Al₃Ni区域增厚，Al₃Ti层包裹在镍钛颗粒周围。在850°C（样品D）下，界面处形成了多层结构的金属间化合物，依次为Al、AlNi、Al₃Ti和NiTi。在1000°C（样品E）下，反应层显著增宽并深入原铝区域，铝芯结构发生严重变形甚至坍塌，形成了宽泛的Al-Ni-Ti三元合金层。这些界面反应层的形成和生长，消耗了界面附近的铝，并改变了邻近镍钛相的成分，直接导致了近芯区DSC相变峰的衰减和宽化。

综上所述，本研究成功开创了一条利用放电等离子烧结技术制备以高熔点形状记忆合金镍钛为基体、低熔点增材制造铝晶格为增强相的金属-金属互穿相复合材料的新途径。研究系统地阐明了烧结温度和时间对材料微观结构、界面特性和功能性能的调控规律。最重要的发现是，通过优化工艺参数（特别是560°C和60 MPa），可以在实现镍钛基体良好烧结的同时，有效抑制铝芯与镍钛基体之间的有害合金化反应，从而在很大程度上保留镍钛相的关键形状记忆特性。这项工作不仅证明了SPS在制备复杂多材料功能复合材料方面的巨大潜力，而且为未来设计具有定制化热机械性能和智能响应行为的新型复合材料提供了重要的理论依据和实践指导。其意义在于突破了传统制备方法的限制，为航空航天、生物医疗等领域对轻量化、高阻尼、可变形智能结构的需求提供了新的材料解决方案。