增材制造NiTi、Ti-6Al-4V与316L不锈钢结构超材料的性能对比研究：能量耗散机制与生物医学应用潜力

本研究针对传统制造技术难以实现复杂结构设计的瓶颈，通过激光粉末床熔融(LPBF)技术制备具有负泊松比特性的NiTi、Ti-6Al-4V和316L不锈钢晶格结构。研究发现NiTi形状记忆合金在循环压缩测试中展现出显著的超弹性行为和能量耗散能力（38.81 MJ/m3 ），其性能超越传统医用合金10倍，为可重复使用的能量吸收器件在医疗植入物和航空航天领域的应用提供了新思路。

　　

在医疗植入物和航空航天领域，如何设计既能承受循环载荷又能高效耗散能量的轻量化结构一直是重大挑战。传统制造技术受限于工艺复杂度，难以实现具有负泊松比特性的精密晶格结构。更关键的是，尽管镍钛形状记忆合金(NiTi SMA)具有独特的超弹性和形状记忆效应，但其与传统医用合金Ti-6Al-4V和316L不锈钢在能量耗散性能方面的定量对比研究仍属空白。

为解决这些问题，来自未知机构的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表了一项创新研究。他们采用激光粉末床熔融(LPBF)技术制备了具有波浪状四手性结构的三种合金晶格样本，通过系统的微观结构表征和力学测试，首次量化比较了这些材料在能量耗散方面的性能差异。

研究采用三大关键技术：1）激光粉末床熔融(LPBF)参数优化，控制激光功率(150-380W)和扫描速度(900-1600mm/s)；2）显微计算机断层扫描(μ-CT)三维缺陷分析；3）循环压缩测试结合能量耗散计算公式，评估材料在恒定载荷(15kN)和恒定位移(1mm)条件下的性能。

【微观结构分析】
通过SEM和EBSD观察发现，NiTi样品存在应力诱导马氏体(SIM)区域，其独特的奥氏体-马氏体相变机制是超弹性的结构基础。μ-CT显示所有样品孔隙率低于0.07%，NiTi的层间厚度(30μm)和舱距(50μm)参数实现了最优平衡。

【力学性能对比】
在恒定载荷测试中，NiTi的能量耗散值(38.81 MJ/m³
)达到Ti-6Al-4V的10倍，比能耗达4.34 MJ/m³
·g。即使在接近断裂应变(7.6%)的位移条件下，NiTi仍保持稳定的滞后回线，而316L已出现塑性变形。

【讨论与结论】
该研究首次证实：1）NiTi的超弹性主要源于材料本征的马氏体相变而非结构设计；2）通过LPBF制备的NiTi晶格结构比能耗是传统医用合金的3-10倍；3）退火处理(400°C/5h)能有效调控相变温度区间。这些发现为开发可重复使用的能量吸收器件提供了理论依据，特别是在需要兼顾轻量化和高阻尼特性的心血管支架和骨植入物领域具有重要应用价值。研究同时指出，未来需进一步优化LPBF工艺参数以减少NiTi中的位错密度和织构各向异性。