利用混合稳定剂缓解3D打印镍钛形状记忆合金功能疲劳的机制研究

本研究针对镍钛形状记忆合金(NiTi SMA)在工程应用中存在的加工性能差和功能疲劳问题，通过引入α、β、γ稳定剂(Cu/Mo/Zr)制备新型混合NiTi SMA，结合3D打印技术和改进的Brinson指数模型，系统评估了材料的形状记忆行为和疲劳特性。实验表明NiTiCuo在应变控制策略下表现最优，疲劳寿命提升至3500-4000次循环，为高性能形状记忆材料的开发提供了新思路。

　　

形状记忆合金(SMA)因其独特的形状记忆效应(SME)和超弹性(PE)特性，在航空航天、生物医疗等领域具有重要应用价值。其中镍钛形状记忆合金(NiTi SMA)虽性能优异，却面临加工困难、循环载荷下功能疲劳等瓶颈问题。功能疲劳会导致材料在保持结构完整性的情况下逐渐丧失形状恢复能力，这严重制约了其在精密致动器等领域的长期可靠性。

针对这一挑战，香港中文大学的研究团队创新性地提出通过元素混合策略增强NiTi SMA的疲劳性能。研究人员基于电子/原子比分类，选择铜(Cu，α稳定剂)、钼(Mo，β稳定剂)和锆(Zr，γ稳定剂)作为混合元素，采用激光定向能量沉积(LDED)技术制备了NiTi-α、NiTi-β和NiTi-γ三种新型合金。该成果发表在《Results in Engineering》期刊，为开发长寿命形状记忆材料提供了重要参考。

研究团队运用了多项关键技术：通过差示扫描量热法(DSC)测定相变温度(TTs)；采用改进的Brinson指数模型模拟相变动力学；利用MTS试验机进行应变/应力双控制策略的疲劳测试；结合SEM-EDS进行微观结构表征。这些方法系统评估了混合合金的相变行为和疲劳失效机制。

研究结果显示：在形状记忆性能方面，所有混合合金均保持显著SME，但出现独特的跳跃不连续性特征。DSC分析表明混合使相变温度区间产生5-15°C的偏移，其中NiTiCu_o的奥氏体结束温度(A_f)提升至71.5°C。

疲劳性能测试得出突破性发现：应变控制策略下，NiTi-α展现出最佳抗疲劳性能(3500-4000次循环)，较基础NiTi SMA(1000-1500次)提升2-3倍。频率实验显示1Hz时滞后环面积最大，5Hz时因热积累效应导致疲劳寿命降低40%。

微观结构分析揭示了性能差异的本质原因：Cu的加入促进形成正交B19马氏体相，细晶粒结构有效阻碍裂纹扩展；而Zr系合金中粗大晶粒导致应力集中，加速了疲劳失效。通过定量分析，研究建立了混合元素含量与疲劳寿命的关联规律，其中0.12wt.%Cu的优化配比使材料达到最佳综合性能。

该研究通过多尺度表征和理论模拟的深度融合，首次系统阐明了混合稳定剂对NiTi SMA功能疲劳的影响机制。特别值得注意的是，提出的指数模型能准确描述混合合金在循环载荷下的非线性响应，解决了传统余弦模型对快速相变响应预测不足的缺陷。这些发现不仅为开发新一代抗疲劳形状记忆材料提供了明确的方向，其建立的"成分-结构-性能"关系模型对其它智能材料的设计也具有重要借鉴意义。在实际应用层面，NiTiCu_o优异的抗疲劳特性使其在需要长期稳定工作的微创医疗器材和航空航天紧固件等领域展现出广阔应用前景。