关于厚壁电弧熔焊NiTi合金零件的各向异性

《Materials Today Communications》：On the anisotropy of thick-walled wire arc additive manufactured NiTi alloy part

NiTi合金通过冷金属转移-电弧增材制造工艺制备，分析其微观结构演变与力学性能关联性。研究表明熔池中心区B2奥氏体柱状晶沿沉积方向 epitaxially生长，搭接区晶粒垂直熔接线排列，顶部区呈现等轴晶。检测到Ti-rich和Ti2Ni析出相，45°平面晶体取向强度18.23，{011}<100>滑移系平均Schmid因子0.28。显微硬度沿沉积方向增至368.6 HV后趋于稳定，法向平均367.1 HV。不同沉积参数导致材料力学性能显著差异，45°平面取向主导超弹性恢复率，熔池中心区强度最优，而搭接区塑性最佳。

　　

刘如奈|史华慧|陈晓春|陈宏生|王文贤|周军

山西电子科技学院，临汾041000，中国

摘要

通过基于冷金属转移的线弧增材制造（CMT-WAAM）工艺制备了块状NiTi合金。本研究探讨了微观结构的演变，并揭示了微观结构特征与机械性能之间的关联。结果表明，在NiTi合金熔池的中心区域，B2奥氏体长柱状晶粒沿沉积方向外延生长；在重叠区域，柱状晶粒交替垂直于熔合线生长；而在顶部区域观察到等轴晶粒。富Ti的NiTi沉淀物和Ti?Ni沉淀物分别呈簇状分布。45°面晶体的织构强度为18.23，具有强烈的立方织构。{011} <100>滑移系的平均施密特因子（SF）值为0.28。NiTi合金块体沿沉积方向的显微硬度随沉积层厚度的增加而增加，并趋于稳定，平均值为约368.60 HV。垂直方向的平均显微硬度为367.11 HV。熔合线附近特征区域的硬度、弹性模量和压痕恢复率相似。H0和D45样品表现出高强度和低塑性，而V90样品则表现出低强度和高塑性。

引言

镍钛（NiTi）合金由于其独特的性能组合（包括形状记忆效应、超弹性、生物相容性、高阻尼能力和耐腐蚀性）而被广泛应用于航空航天、汽车和生物医学领域[1]、[2]。然而，传统制造工艺存在生产周期长和材料利用率低等局限性。此外，NiTi合金的高加工硬化率和延展性给传统加工带来了挑战[3]、[4]。相比之下，线弧增材制造（WAAM）在制造大规模NiTi形状记忆合金（SMA）结构部件方面显示出显著优势，包括更低的设备成本、更短的生产周期和更高的效率[5]、[6]。

目前用于NiTi合金的WAAM技术主要包括气体金属弧焊（GMAW）、气体钨弧焊（GTAW）和冷金属转移（CMT）[7]、[8]。王等人使用双金属WAAM系统成功在纯Ti基底上原位沉积了NiTi合金[9]。在此基础上，他们进一步研究了电流强度和预热温度对晶体取向、沉淀相和机械性能的影响[10]、[11]。结果表明，随着沉积电流的增加，NiTi合金的极限抗拉强度从927.9 MPa降至613.8 MPa，伸长率从8.7%降至5.6%；不同预热温度下NiTi合金的超弹性恢复率均低于60%。曾等人利用GTAW技术成功沉积了5层NiTi合金薄壁构件[12]，极限抗拉强度达到571.4 MPa，断裂应变为16.8%，10次加载-卸载循环后的不可恢复应变为2.73%。Resnina等人采用GMAW在纯Ti基底上沉积了5层NiTi合金，研究了微观结构、相组成、马氏体转变（沿层和跨层）以及层特定机械性能之间的相关性[13]。此外，在通过加热应变恢复试验制备的NiTi样品中观察到了形状记忆效应。

基于冷金属转移的线弧增材制造（CMT-WAAM）技术通过结合CMT精确的温度控制和WAAM高效的材料沉积特性，可以有效抑制热量积累，减少孔洞和裂纹等缺陷，并实现高质量的冶金结合[14]、[15]。张等人利用CMT-WAAM技术成功沉积了高度为130 mm的NiTi合金薄壁部件，并研究了NiTi合金在水平和垂直方向的微观结构和机械性能[16]。研究发现，经过25次循环后，水平和垂直方向测试的样品均表现出超过90%的超弹性恢复率，表明CMT在制备NiTi合金部件方面具有巨大潜力。

余等人使用CMT-WAAM技术在NiTi基底上沉积了5层富Ti的NiTi合金薄壁部件，并分析了其在不同高度下的拉伸性能和超弹性行为[17]。结果表明，NiTi合金样品的机械性能具有明显的位置依赖性，显微硬度随沉积方向逐渐增加。在距离基底11.5 mm处的机械性能最佳，极限抗拉强度为652.46 MPa，伸长率为13.66%，10次拉伸循环后的可恢复应变为2.39%。

张等人采用多种沉积策略和电弧模式制备了NiTi合金薄壁部件，系统研究了沉积条件对微观结构、相变行为和机械性能的影响[18]。研究发现，脉冲模式样品表现出最高的超弹性恢复率，这归因于其更均匀的变形过程和较低的塑性变形应变。作为新型沉积策略的电弧振荡通过扩大电弧覆盖范围、增大熔池面积、减少缺陷和提高成形精度显著提升了焊接工艺质量。鉴于NiTi合金具有高熔体粘度和低热导率，将电弧振荡策略纳入CMT工艺可以搅动熔池，促进其扩散并防止形成凸起状缺陷。

上述研究主要集中在多层单道次薄壁NiTi合金上。然而，工业应用通常涉及具有不同壁厚的NiTi部件，而关于厚壁或块状NiTi合金的研究仍然较少。本文报道了通过CMT-WAAM工艺制备8层4道次的块状NiTi合金的过程。对沉积后的块体的微观结构、相组成、晶体取向和机械性能进行了系统研究，并分析了取向依赖的机械行为和断裂机制。

部分摘录

2. 材料和实验方法

本实验中使用的填充材料为NiTi丝，丝径为1.2 mm，化学成分如表1所示。采用南京Enigma Automation有限公司（南京，中国）开发的Arcman S1 ADV智能电弧增材制造系统和Fronius CMT Advanced 4000R电源进行WAAM步骤。如图1(c)所示，制备了一个尺寸为110×30×34 mm3（长度×厚度×高度）的8层4道次沉积部件。

微观结构表征

图3展示了NiTi合金块体横截面的微观结构。整体形态显示内层单层轨道之间有良好的冶金结合，未检测到明显缺陷。同时观察到柱状晶粒微观结构，这是WAAM工艺制备的金属材料的典型特征。顶部区域存在气孔，这可能是由于顶部熔池冷却速率过快所致。

结论

本研究分析了八层四道次NiTi合金块体的微观结构和机械性能，揭示了微观结构与机械性能之间的联系，得出以下结论：

(1) NiTi合金块体具有良好的成形性：在熔池中心区域，B2奥氏体长柱状晶粒沿沉积方向外延生长；在重叠区域，柱状晶粒垂直于熔合线生长。

作者贡献声明

刘如奈：方法论、概念化。 王文贤：方法论、数据管理。 陈晓春：监督、方法论。 陈宏生：撰写-审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取。 史华慧：撰写-初稿、方法论、研究、数据分析、数据管理。 周军：验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省专利转化项目（编号202402003）、山西省自然科学研究项目（编号202303021211045）、忻州市重点研发计划项目以及山西省自然科学表面项目（编号202403021221069）的财政支持。