探秘 NiTi 合金：镍浓度如何塑造其多尺度性能与磨损行为

为探究 Ni 浓度对 NiTi 合金摩擦学行为的影响，研究人员利用粉末床激光熔合（PBF-LB）技术制备两种合金，研究其微观结构、性能及磨损行为。结果显示，Ni49.8Ti50.2 at.% 合金耐磨性能更优。这为其在多领域应用提供参考。

　　在材料科学的奇妙世界里，镍钛（NiTi）合金凭借独特的形状记忆效应（SME）、超弹性（SE）和出色的耐腐蚀性，成为众多领域的 “香饽饽”，从生物医学中的支架，到航空航天里的发动机部件，都有它的身影。然而，传统制造技术在制备 NiTi 合金时困难重重，难以精准控制成分和打造复杂形状。随着添加剂制造技术，尤其是粉末床激光熔合（PBF-LB）技术的出现，似乎为解决这些问题带来了曙光。

不过，新的挑战又接踵而至。目前，对于 PBF-LB 制备的 NiTi 合金，其摩擦学性能方面的研究还存在诸多空白，特别是镍（Ni）浓度对合金摩擦磨损行为的影响，几乎无人深入探究。而磨损性能对于 NiTi 合金在实际应用中的耐久性起着关键作用，直接关系到相关设备的使用寿命和性能表现。在这样的背景下，来自国外的研究人员决心深入探索，力求填补这一研究空白。

研究人员使用 PBF-LB 技术，成功制备了 Ni_51.1Ti_48.9 at.% 和 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 两种 NiTi 合金。为全面了解这两种合金，研究人员运用了多种关键技术方法。通过阿基米德原理测量合金密度；利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和 X 射线衍射（XRD）分析微观结构和相组成；借助维氏硬度计和纳米压痕仪测试微硬度和纳米硬度；采用球盘往复摩擦计进行磨损测试，并结合 3D 光学显微镜和 SEM 对磨损后的样品进行分析。

在微观结构分析中，研究人员发现，Ni_51.1Ti_48.9 at.% 合金存在较多因融合不足导致的孔隙，相对密度较低，为 95 ± 1.2%，其微观结构呈现出较粗的等轴晶粒和柱状结构；而 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金相对密度较高，达到 98 ± 0.4% ，微观结构为细小的等轴晶粒与柱状枝晶结合。

微纳尺度性能测试结果显示，Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金的微硬度（约 459 HV_0.3）和纳米硬度（约 5.3 GPa）均高于 Ni_51.1Ti_48.9 at.% 合金（约 408 HV_0.3和约 4.7 GPa）。同时，该合金的韦布尔模量（m = 18.9）更高，表明其微观结构缺陷分布更均匀，应变硬化指数（α = 0.76）也更高，意味着它抵抗塑性变形的能力更强。

摩擦系数和比磨损率的研究发现，虽然 Ni_51.1Ti_48.9 at.% 合金的平均摩擦系数（0.72 ± 0.02）略低于 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金（0.76 ± 0.02），但其比磨损率却约为后者的 1.5 倍。这是因为 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金具有更高的硬度、H/E 比（约 0.086）和应变硬化能力（约 0.76），在变形时以弹性变形为主，减少了表面损伤。

通过对界面现象的观察，研究人员发现，Ni_51.1Ti_48.9 at.% 合金磨损表面有明显的磨痕、较多的松散磨损碎屑和较高程度的塑性变形；而 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金磨损表面则形成了更多的摩擦层，这些摩擦层起到保护作用，减少了材料损失。

综合以上研究结果，研究人员提出了两种合金的磨损机制。Ni_51.1Ti_48.9 at.% 合金的磨损主要由三体磨损（松散磨损碎屑作为第三体参与磨损）、局部塑性变形和粘着转移膜的形成导致；而 Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金则得益于稳定的摩擦层，有效降低了磨损率。

这项研究意义重大，它首次系统地揭示了 Ni 浓度对 PBF-LB 制备的 NiTi 合金多尺度性能和磨损行为的影响，为 NiTi 合金在高性能磨损环境中的应用提供了重要参考。研究表明，Ni_49.8Ti_50.2 at.% 合金更适合用于制造机械执行器、航空航天部件和生物植入物等高接触应用领域的产品。不过，研究人员也指出，未来还需进一步研究该合金在不同加载和滑动条件下的性能，通过优化打印参数和磨损条件，进一步提升 3D 打印 NiTi 合金的摩擦学性能。这一研究成果发表在《Applied Surface Science Advances》上，为材料科学领域的发展添上了浓墨重彩的一笔，也为后续研究指明了方向，激励更多科研人员在这一领域深入探索。