3D打印Ni-TiO2金属基复合材料的微观结构演化与力学性能：增材制造技术的新突破

本文创新性地采用材料挤出3D打印技术（Material Extrusion）制备Ni-TiO2金属基复合材料（MMCs），通过PLA/MAPP粘结剂体系结合脱脂烧结工艺，成功实现复杂TPMS结构成型。研究揭示高温烧结中Ti氧化生成TiO2相的演变机制，获得258 HV硬度和250 MPa抗压强度，800℃内热稳定性优异，为航空航天领域高性能复合材料开发提供新范式。

　　

亮点

本研究通过创新的材料挤出3D打印技术，成功将镍钛（NiTi）粉末与聚乳酸（PLA）、马来酸酐聚丙烯（MAPP）共混制成可打印线材，经脱脂烧结后获得具有复杂三周期极小曲面（TPMS）结构的Ni-TiO₂金属基复合材料。

X射线衍射分析

图4展示烧结前后的相变过程：原始NiTi粉末呈现单斜晶系NiTi相（JCPDS 52-1203），而烧结后材料中检测到面心立方镍（Ni）相和金红石型TiO₂相，证实高温下钛元素发生氧化反应。这种相组成转变直接影响了材料的最终性能。

讨论

材料挤出结合烧结的工艺路线展现出独特优势：

1. 1.

   通过精确控制烧结温度（具体数值见方法部分），实现TiO₂强化相在镍基体中的均匀分布

2. 2.

   与传统粉末冶金（PM）相比，该方法能制备传统工艺难以成型的复杂拓扑结构

3. 3.

   热导率测试显示材料在800℃内保持稳定，但高温下因晶界扩散加剧导致性能下降

结论

该研究突破性地证明：

• •

  3D打印可制备具有258 HV硬度的Ni-TiO₂复合材料

• •

  TPMS结构赋予材料优异的比强度和能量吸收特性

• •

  工艺参数与微观性能的关联模型为航天热控系统等应用提供设计依据

作者贡献声明

第一作者Pooja Srinivas完成从概念设计到数据采集的全流程工作，通讯作者Wael Zaki教授指导了论文撰写与实验验证，团队在阿联酋哈利法大学的ADAM中心完成所有试验。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究客观性的财务或个人关系。

致谢

本研究受哈利法大学"先进数字与增材制造中心"（ADAM）资助（项目编号8474000163），特此鸣谢。