Na?MoO?和α-Al?O?对10B21钢表面MAO涂层性能的影响

《Materials Today Communications》：Effect of Na 2MoO 4 and α-Al 2O 3 on the properties of MAO coating on 10B21 steel

NiTi形状记忆合金通过激光粉末床熔融（LPBF）加工，比较了低功率/低速度（Sample I）和高功率/高速度（Sample II）两种工艺参数下的微观结构演化、晶体学织构及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为差异。研究显示Sample I具有更优的延展性和SIMT动力学性能，而Sample II呈现更强的?001?纤维织构和更低的缺陷密度。两者均存在晶粒间相互作用导致的负晶格应变现象。

　　本文围绕镍钛（NiTi）形状记忆合金在激光粉末床熔融（LPBF）工艺下的微观结构演变、晶体学织构发展以及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为展开研究。通过采用同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）和电子背散射衍射（EBSD）等先进表征技术，结合原位拉伸试验，研究者系统分析了两种不同的加工参数设置对材料性能的影响。研究结果不仅揭示了NiTi合金在不同能量输入条件下的微观结构差异，也为优化LPBF工艺参数提供了关键的理论依据。

NiTi形状记忆合金因其独特的超弹性和形状记忆特性，在生物医学植入物和工业领域得到了广泛应用。这种特性源于奥氏体（B2）和马氏体（B19’）之间的可逆非扩散相变。然而，随着应用场景的复杂化，传统制造方法（如铸造、锻造）在生产NiTi组件时面临诸多挑战。由于材料的特殊性质和加工限制，传统工艺难以满足复杂结构的制造需求，导致表面质量下降、尺寸不一致以及工具磨损加剧等问题。因此，研究者开始探索新型制造方法，以克服这些限制。

增材制造（AM）技术为NiTi合金的生产提供了更大的设计自由度，并能够制造传统方法难以实现的复杂结构。LPBF作为一种典型的AM技术，通过逐层熔化金属粉末来构建三维结构，其加工出的NiTi合金在微观结构和机械性能方面与传统工艺有所不同。一些研究指出，通过调整加工参数，可以改善NiTi合金的性能，如提高位错密度和残余应力，增强压缩拉伸断裂强度，同时降低拉伸断裂应变。此外，LPBF加工过程中，激光功率和扫描速度的协同作用对材料的性能具有重要影响。高功率输入可能导致元素蒸发（如镍的损失）和氧化，进而影响相变温度范围。而扫描速度的增加则会促进非平衡凝固条件，从而降低马氏体相变温度（Ms, Mf），抑制B19’相的形成，并增强B2相在室温下的保留。同时，扫描速度还影响微观结构的演变和晶体学织构的发展。较低的扫描速度更有利于形成粗大的柱状晶，而较高的扫描速度则会导致显著的晶粒细化。

晶体学取向对材料的机械和功能特性具有决定性影响。在LPBF加工的NiTi合金中，常见的晶体学织构包括沿构建方向的?100?、?110?和?111?取向。?100?取向由于较高的Schmid因子，在压缩条件下表现为“软取向”，导致较低的屈服应力。而?110?和?111?取向的NiTi合金在变形过程中表现出较弱的路径依赖性，但在拉伸和压缩性能方面存在显著差异。此外，?001?取向的织构对材料的超弹性具有重要影响。研究者通过调整不同的加工参数组合（同时保持相同的能量密度），探讨了其对材料微观结构、相变行为和机械性能的影响。例如，Xu等人的研究发现，不同参数组合下NiTi合金的机械性能和相变温度存在显著差异，且激光功率和扫描速度对组件质量和球形孔洞的形成具有重要影响。

本文的研究目标在于深入理解LPBF加工参数对NiTi合金微观结构和晶体学取向的影响，并建立SIMT动力学与机械响应之间的定量关系。研究者设计了两种不同的参数组合：高功率高扫描速度（HH）和低功率低扫描速度（LL），并确保两者具有相同的体积能量密度。通过将同步辐射高能X射线衍射与原位单轴拉伸试验相结合，研究者系统分析了这两种参数组合下NiTi合金的变形行为和SIMT特性。研究结果表明，HH条件下的NiTi合金表现出更强的?001?纤维织构，沿构建方向的奥氏体相中晶体取向更加一致，同时缺陷密度较低。相比之下，LL条件下的合金则表现出更随机的晶粒取向和更粗大的晶粒，同时存在较高的孔隙率。

在拉伸试验中，研究者发现HH条件下的NiTi合金表现出更高的延展性和更平坦的SIMT平台，同时马氏体相变速率较快。而LL条件下的合金则表现出较低的延展性，SIMT平台较陡，且相变速率较慢。这些差异可能与两种加工条件下形成的微观结构和晶体取向有关。在变形过程中，有序马氏体晶粒之间的相互作用被观察到，这表现为[111]//LD晶粒的负晶格应变。这种现象说明，在不同的加工参数下，材料的变形机制和SIMT行为存在显著差异。

研究者还指出，尽管HH和LL两种条件下的NiTi合金可以实现相近的马氏体相变温度，但它们的微观结构和晶体学织构却有所不同，这导致了材料在力学性能上的差异。例如，HH条件下的合金具有更均匀的微观结构和更低的缺陷密度，而LL条件下的合金则表现出更多的晶粒间相互作用和较高的孔隙率。这些发现为优化LPBF工艺参数提供了关键的理论依据，有助于在不同应用场景下定制NiTi合金的功能性能。

此外，本文的研究还揭示了激光功率和扫描速度在LPBF加工中的复杂相互作用。高功率和高扫描速度的组合不仅能够提高材料的加工质量，还能通过改变凝固条件和晶粒结构来优化材料的性能。而低功率和低扫描速度的组合则更有利于形成粗大的晶粒，但可能导致材料的微观结构不均匀和较高的孔隙率。因此，在选择加工参数时，需要在加工质量、微观结构和功能性能之间进行权衡。

研究者通过实验验证了这些理论假设，并得出了相应的结论。实验结果显示，HH条件下的NiTi合金在拉伸试验中表现出更高的延展性和更平坦的SIMT平台，同时具有更均匀的微观结构和更低的缺陷密度。而LL条件下的合金则表现出较低的延展性，SIMT平台较陡，且具有更随机的晶粒取向和更高的孔隙率。这些差异表明，不同的加工参数对材料的性能具有显著影响，且需要根据具体的应用需求进行选择。

本文的研究不仅为NiTi合金的加工提供了理论支持，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。通过深入分析不同加工参数对材料性能的影响，研究者希望为未来的NiTi合金制造提供更科学的指导，以实现更优的功能性能和机械性能。同时，本文的研究结果也表明，同步辐射高能X射线衍射和EBSD等先进技术在材料表征和性能分析中具有重要价值，能够为研究者提供更精确的数据支持，从而更好地理解材料的微观结构和性能演变机制。

总之，本文通过系统研究LPBF加工参数对NiTi形状记忆合金微观结构、晶体学织构和SIMT行为的影响，揭示了不同加工条件下材料性能的差异，并为优化LPBF工艺参数提供了关键的理论依据。研究结果不仅有助于提升NiTi合金的制造质量，也为相关领域的进一步发展提供了新的思路和方向。