钴（Co）含量对铸造镍基超级合金微观结构演变、变形机制及蠕变性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of Co content on microstructure evolution, deformation mechanism and creep properties of a cast nickel-based superalloy

NiTi形状记忆合金激光粉末床融合加工中，低功率/低速度（Sample I）和高功率/高速度（Sample II）工艺对微观结构、晶体织构及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为的影响。实验表明Sample I具有更高延展性、更平坦的SIMT平台及更快的相变速率，而Sample II呈现更强的?001?纤维织构和更低缺陷密度。研究揭示了加工参数通过体积能量密度调控晶粒取向和缺陷密度的机制，为优化增材制造工艺提供理论依据。

　　本研究重点探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制造的镍钛形状记忆合金（NiTi SMAs）的微观结构演变、晶体学织构发展以及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为。为了更深入地理解这些材料的特性，研究采用了两种不同的加工条件，并结合原位同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）与电子背散射衍射（EBSD）技术进行分析。两种加工条件分别对应低激光功率与低扫描速度（样本I）和相对较高的激光功率与高扫描速度（样本Ⅱ），但两者的体积能量密度保持一致。研究结果显示，样本I表现出更随机取向且较粗大的晶粒结构，以及较高的孔隙率，而样本Ⅱ则在奥氏体相中形成了强烈的?001?纤维织构，并观察到缺陷密度的降低。此外，在拉伸实验中，样本I展现出更高的延展性、更平坦的SIMT平台以及更快的马氏体相变速率。在变形过程中，样本I和样本Ⅱ均出现了取向马氏体晶粒之间的显著相互作用，这种相互作用通过观察到[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变得到了验证。这些发现为优化LPBF参数以调控NiTi形状记忆合金的功能特性提供了关键指导。

镍钛形状记忆合金因其卓越的超弹性和形状记忆效应，在生物医学植入物和工业领域得到了广泛应用。这些特性源于奥氏体（B2）与马氏体（B19’）之间的可逆非扩散相变。随着镍钛合金应用场景的日益复杂，传统制造工艺（如铸造、锻造）在生产镍钛组件时面临诸多挑战和几何限制。由于材料的固有特性和加工限制，这些组件在加工过程中表现出特殊的加工困难，常常导致表面质量下降、尺寸不一致以及工具的快速磨损。因此，寻找新的制造方法成为迫切需求。

增材制造（AM）技术为设计提供了更大的灵活性，并能够生产传统工艺难以实现或成本较高的复杂结构。作为典型的AM技术，激光粉末床熔融（LPBF）通过逐层熔化金属粉末，能够制造出复杂的三维结构，并展现出与传统加工材料不同的微观结构和机械性能。一些通过LPBF打印的镍钛合金表现出较高的位错密度和残余应力，更好的压缩抗拉强度，但拉伸断裂应变有所下降，且没有明显的Lüders带变形行为。为了提升通过LPBF制造的镍钛合金的性能，已有大量研究关注于打印参数的优化。以往的研究表明，体积能量密度（VED）在表面质量、相变温度和机械性能等方面起着关键作用。在VED的多个核心变量中，激光功率（P）和扫描速度（V）之间的协同关系成为研究的重点。高功率输入倾向于引发元素蒸发（如镍损失）、氧化、沉淀和夹杂物（如Ni?Ti?、Ti?Ni），从而改变相变温度范围。镍的蒸发主要受到扫描速度的影响，而组件质量则由扫描速度和激光功率共同决定。较高的扫描速度促进了非平衡凝固条件，导致马氏体相变温度（M?、M?）的降低，抑制了B19’相的形成，并增强了B2相在室温下的保留。此外，扫描速度还对微观结构的演变和晶体学织构的发展具有决定性作用。低扫描速度更有利于形成粗大的柱状晶粒，而提高扫描速度则会导致显著的晶粒细化。

晶体学取向已被证明对机械和功能特性具有关键影响。在LPBF加工的镍钛合金中，常见的晶体学织构主要包括沿构建方向的?100?、?110?和?111?取向。?100?织构由于较高的Schmid因子，在压缩条件下表现出“软取向”特性，导致较低的屈服应力。Chen等人和Shi等人研究发现，?110?和?111?织构的镍钛样品在变形路径依赖性方面较弱，但在拉伸和压缩性能方面表现出显著差异。Safdel等人通过分析Schmid因子的变化，解释了织构相关的变形各向异性，并提出织构组成对LPBF-NiTi的超弹性具有决定性作用。已有大量研究探讨了在保持相同能量密度的前提下，不同打印参数组合对材料微观结构、相变行为和机械性能的影响。例如，Xu等人研究发现，在不同的参数组合下，相同能量密度的镍钛合金表现出显著的机械性能和相变温度差异。值得注意的是，激光功率和扫描速度对组件质量和样品中的球形孔隙有显著影响。Ren等人研究了在相同能量密度下，不同激光功率和扫描速度对镍钛合金的影响。他们发现，当能量密度保持不变时，随着激光功率的增加，熔池的最大温度上升，而随着扫描速度的增加，熔池温度超过镍的沸点所需的时间间隔缩短。此外，较高的扫描速度还导致了显著的镍蒸发和热阈值能量的降低，同时增强了?001?织构。

尽管已有大量研究致力于建立LPBF加工镍钛合金的工艺-微观结构-性能关系，但在相同体积能量密度水平下，不同能量输入模式对镍钛合金的微观结构和机械特性的影响仍存在关键的知识空白。特别是，相对较高的功率/速度组合与较低的功率/速度组合对打印缺陷和SIMT动力学的影响尚未完全理解。这种限制阻碍了通过LPBF制造的镍钛组件的功能性能的有效调控。

本研究设计了实验，旨在（i）表征LPBF加工参数对晶体学和微观结构特征的影响；（ii）在不同能量输入模式下，建立SIMT动力学与机械响应之间的定量关系。实验采用了两种不同的参数组合：低功率/低速度（用于样本I）和高功率/高速度（用于样本Ⅱ），以制造多晶镍钛形状记忆合金。通过将同步辐射高能X射线散射方法与原位单轴拉伸测试相结合，研究系统地分析了在两种打印参数组合下，LPBF制造的镍钛合金的变形行为和SIMT特性。实验结果为增材制造的镍钛形状记忆合金的微观结构和功能性能优化提供了基础见解。

实验中使用的是商业化的球形近等原子比Ti-50.8 at.% Ni合金粉末，由Avi Metal Powder Metallurgy Technology Co., Ltd.（中国西安）通过电极感应熔化气体雾化（EIGA）工艺制造。图1a和图1b展示了用于打印的高质量气体雾化粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像，这些粉末具有良好的球形度和光滑表面。图1d中的内嵌EDS光谱确认了粉末的组成，主要为钛和镍，且没有其他显著元素。这些粉末的高质量为后续实验提供了可靠的基础，确保了材料性能的稳定性。

在实验过程中，样本I和样本Ⅱ的制造参数分别为低功率/低速度和高功率/高速度，但两者的体积能量密度保持一致。这种参数设计有助于排除能量密度对材料性能的干扰，从而更准确地分析不同加工条件对微观结构和功能特性的影响。样本I的制造过程中，由于能量输入较低，导致熔融过程不完全，进而影响了粉末的熔化和凝固行为。这可能使得样本I中的晶粒结构不够均匀，孔隙率较高，而样本Ⅱ的高能量输入则促进了更均匀的熔融和凝固，从而降低了孔隙率并改善了晶粒结构。此外，样本Ⅱ的高扫描速度导致了更快的凝固速率，这可能使得晶粒更加细小，同时形成了强烈的?001?纤维织构。这种织构的形成可能与熔池的冷却速率和晶粒生长方向有关，而样本I由于较低的扫描速度，晶粒生长较为缓慢，导致晶粒较大且取向随机。

在原位HE-XRD拉伸实验中，研究进一步分析了样本I和样本Ⅱ在不同加载方向下的SIMT行为。加载方向（LD）平行于水平方向（即构建方向）时，样本I表现出更高的延展性，这可能与其较高的孔隙率和较粗大的晶粒结构有关。样本I的较高孔隙率可能降低了材料的整体强度，但提高了延展性，使其在变形过程中能够吸收更多能量，从而表现出更平坦的SIMT平台。相比之下，样本Ⅱ由于较低的孔隙率和更均匀的晶粒结构，表现出更显著的SIMT动力学特征，如更快的相变速率和更高的强度。这些差异可能与晶粒的取向和织构有关，样本Ⅱ的强烈?001?织构可能在拉伸过程中提供了更多的变形路径，从而提高了材料的性能。

在变形过程中，样本I和样本Ⅱ均出现了取向马氏体晶粒之间的显著相互作用。这种相互作用可能与晶粒的取向和应力分布有关，样本I的随机取向可能导致应力在晶粒之间分布不均，从而引发晶格应变的变化。研究通过观察到[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变，进一步验证了这一现象。负晶格应变可能意味着晶格在受力过程中发生了压缩，这可能与材料的变形机制和相变行为有关。样本Ⅱ的强烈?001?织构可能使得晶格在受力过程中更加有序，从而减少了晶格应变的变化，提高了材料的稳定性。

通过这些实验，研究揭示了不同加工参数对镍钛合金性能的影响机制。样本I和样本Ⅱ的制造条件虽然保持相同的体积能量密度，但其微观结构和织构的差异导致了材料性能的显著变化。样本I的高孔隙率和粗大晶粒结构使其在拉伸过程中表现出更高的延展性，但强度较低。样本Ⅱ的低孔隙率和细小晶粒结构使其在拉伸过程中表现出更高的强度，但延展性有所下降。这种差异可能与晶粒的取向和织构有关，样本Ⅱ的强烈?001?织构可能在拉伸过程中提供了更多的变形路径，从而提高了材料的性能。

此外，研究还发现，不同加工参数对SIMT行为的影响具有显著差异。样本I的SIMT平台较平坦，这可能意味着相变过程更加均匀，而样本Ⅱ的SIMT平台较陡，这可能意味着相变过程更加集中。这种差异可能与材料的微观结构和织构有关，样本Ⅱ的强烈?001?织构可能在相变过程中提供了更多的能量释放路径，从而提高了SIMT速率。样本I的随机取向可能导致相变过程更加分散，从而降低了SIMT速率。

这些发现为优化LPBF参数提供了关键指导。在相同体积能量密度的前提下，选择合适的激光功率和扫描速度可以显著影响材料的微观结构和性能。低功率/低速度组合可能更有利于提高材料的延展性，但会降低强度。高功率/高速度组合可能更有利于提高材料的强度，但会降低延展性。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的加工参数。例如，在需要高延展性的生物医学植入物中，可能更适合采用低功率/低速度组合，而在需要高强度的工业部件中，可能更适合采用高功率/高速度组合。

研究还发现，不同加工参数对打印缺陷的影响具有显著差异。样本I由于较低的功率和速度，导致熔融过程不完全，进而产生较多的缺陷，如孔隙和夹杂物。样本Ⅱ的高功率和速度则促进了更均匀的熔融和凝固，从而减少了缺陷的数量。这种差异可能与熔池的冷却速率和凝固条件有关，样本Ⅱ的高扫描速度可能促进了更快的凝固，从而减少了缺陷的形成。

此外，研究还发现，不同加工参数对相变温度的影响具有显著差异。样本Ⅱ的高功率和速度可能导致熔池温度升高，从而降低了马氏体相变温度（M?、M?），抑制了B19’相的形成，并增强了B2相在室温下的保留。样本I的低功率和速度可能导致熔池温度较低，从而提高了马氏体相变温度，促进了B19’相的形成，并降低了B2相在室温下的保留。这种差异可能与材料的热处理和相变动力学有关，样本Ⅱ的高能量输入可能促进了更快的相变过程，而样本I的低能量输入可能抑制了相变过程。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了不同加工参数对镍钛形状记忆合金性能的影响机制。研究结果表明，在相同体积能量密度的前提下，选择合适的激光功率和扫描速度可以显著影响材料的微观结构和性能。低功率/低速度组合可能更有利于提高延展性，但会降低强度，而高功率/高速度组合可能更有利于提高强度，但会降低延展性。这些发现为优化LPBF参数提供了关键指导，有助于调控镍钛合金的功能性能，满足不同应用场景的需求。