基于BiFeO?/La?.?Sr?.?MnO?异质结的电阻式开关存储器件中，相变诱导负微分电阻的机理分析

《Materials Today Communications》：Mechanism Analysis of Phase-Change-Induced Negative Differential Resistance in BiFeO?/La?.?Sr?.?MnO? Heterojunction-Based Resistive Switching Memory Devices

NiTi合金激光粉末床融合制造中不同工艺参数对微观结构、晶体织构及应力诱导相变的影响研究表明，低功率/低速度（Sample I）和高功率/高速度（Sample II）两种加工模式在相同体积能量密度下形成差异显著的微观结构：Sample I晶粒粗大、多取向且孔隙率较高，Sample II则呈现沿加工方向强化的?001?纤维织构及低缺陷密度。同步辐射X射线衍射与电子背散射衍射分析表明，Sample I在拉伸变形中表现出更优的延展性和相变平台特性，而Sample II的晶粒取向协同效应导致变形时产生显著的负晶格应变。研究揭示了工艺参数与功能性相变行为的定量关联，为优化增材制造工艺提供关键指导。

　　这项研究系统地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的微观结构演化、晶体学织构发展以及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为。研究中采用了两种不同的加工参数组合，利用原位同步加速器高能X射线衍射（HE-XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术进行分析：第一种是低激光功率与低扫描速度的组合（Sample I），第二种是相对较高的激光功率与高扫描速度的组合（Sample Ⅱ）。这两种组合均旨在实现相同的体积能量密度（VED），以评估不同能量输入模式对材料性能的影响。

Sample I表现出更为随机取向且粗大的晶粒，同时具有较高的孔隙率。相比之下，Sample Ⅱ则在奥氏体相中发展出强烈的?001?纤维织构，沿着构建方向排列，并且观察到缺陷密度有所降低。通过原位HE-XRD拉伸实验，加载方向（LD）与水平方向（即构建方向）平行，结果显示Sample I具有更高的延展性、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，Sample I和Sample Ⅱ均表现出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以证实。

这些发现为优化LPBF参数，以定制镍钛形状记忆合金的功能特性提供了关键的指导。研究强调，不同的加工参数不仅影响材料的微观结构，还深刻影响其机械和功能性能。例如，较高的激光功率和扫描速度可以增强材料的织构形成，同时促进晶粒细化，而较低的参数则有助于提高材料的机械性能，但可能导致微观结构的不均匀性。因此，如何在保持体积能量密度一致的前提下，选择合适的加工参数，以平衡材料的性能表现，成为本研究的重点。

在实验设计方面，研究团队使用了商用的球形近等原子比Ti-50.8 at.% Ni合金粉末，该粉末通过电极感应熔炼气体雾化（EIGA）技术制造。通过扫描电子显微镜（SEM）图像可以观察到高质量的气体雾化粉末，其具有良好的球形度和光滑的表面。附加的能谱（EDS）分析进一步确认了粉末主要由钛和镍组成，且没有明显的杂质。这些粉末被用于LPBF打印过程，以生成不同的样品。

在微观结构和晶体学取向方面，研究通过分析样品的显微结构和孔隙率，揭示了两种不同加工参数组合对材料组织的影响。Sample Ⅱ在较高的激光功率和扫描速度下，其孔隙率明显低于Sample I，且孔隙尺寸也更小。这种差异主要由两个因素导致：一是低功率和低扫描速度组合下的能量输入不足，导致粉末熔化不完全；二是高能量输入条件下，粉末熔化更充分，从而减少孔隙的形成。此外，研究还发现，在相同的体积能量密度下，不同的能量输入模式会影响晶粒的尺寸和取向，进而影响材料的机械性能和功能特性。

在讨论部分，研究指出，LPBF工艺在打印镍钛形状记忆合金时，参数的选择涉及关键的权衡。虽然较高的激光功率和扫描速度能够增强材料的织构形成，促进晶粒细化，但较低的参数组合则有助于提高材料的机械性能，但可能导致微观结构的不均匀性。值得注意的是，尽管两种加工参数组合可以产生相似的马氏体相变温度，但它们所形成的微观结构和晶体学织构却存在显著差异，这进一步影响了材料在变形过程中的行为。例如，Sample I在变形过程中表现出更高的延展性和更平坦的SIMT平台，而Sample Ⅱ则显示出更强的织构依赖性，这可能导致其在特定方向上的性能表现更为优异。

研究团队还强调，不同的加工参数组合不仅影响材料的微观结构，还深刻影响其机械性能和功能特性。例如，较高的扫描速度会导致非平衡凝固条件，从而降低马氏体相变温度（Ms, Mf），抑制B19’相的形成，并增强奥氏体相在室温下的保留。此外，扫描速度还影响晶粒的尺寸和晶体学织构的发展。低扫描速度更有利于形成粗大的柱状晶粒，而高扫描速度则导致显著的晶粒细化。因此，在设计LPBF参数时，需要综合考虑这些因素，以达到最佳的材料性能。

研究进一步指出，晶体学取向在很大程度上决定了材料的机械和功能特性。常见的晶体学织构包括?100?、?110?和?111?方向的取向，这些取向沿着构建方向排列。?100?织构由于较高的Schmid因子，通常被视为在压缩条件下“较软”的取向，导致较低的屈服应力。而?110?和?111?织构的样品则表现出较弱的变形路径依赖性，但在拉伸和压缩性能方面存在显著差异。研究还指出，织构组成对材料的超弹性具有重要影响，因此在优化材料性能时，必须考虑晶体学织构的发展。

此外，研究团队还探讨了不同加工参数组合对材料相变行为和机械性能的影响。例如，Xu等人发现，在相同的体积能量密度下，不同的参数组合会导致显著的机械性能和相变温度差异。值得注意的是，样品的品质和孔隙率受到激光功率和扫描速度的显著影响。而Ren等人则发现，在相同的体积能量密度下，不同的激光功率和扫描速度会导致熔池的最大温度升高，同时缩短温度超过镍沸点的时间间隔。这表明，较高的扫描速度可能导致更多的镍蒸发和热阈值能量的降低，从而影响材料的性能表现。

研究还指出，尽管在LPBF工艺中已经进行了大量关于过程-微观结构-性能关系的研究，但在相同体积能量密度下，不同能量输入模式对材料微观结构和机械特性的影响仍然存在知识空白。特别是，相对较高的激光功率和扫描速度与较低的参数组合在打印缺陷和SIMT动力学方面的差异尚未被充分理解。这一局限性阻碍了通过LPBF工艺制造的镍钛形状记忆合金功能性能的有效定制。

在结论部分，研究总结了主要发现：在相同的体积能量密度下，不同的激光功率和扫描速度组合对材料的微观结构和功能特性产生显著影响。研究通过原位同步加速器X射线衍射和EBSD技术，系统地分析了两种加工参数组合下材料的SIMT行为和变形特性。这些结果为优化LPBF工艺参数，以定制镍钛形状记忆合金的功能特性提供了重要的理论依据和实验支持。

综上所述，本研究通过系统地分析不同加工参数组合对镍钛形状记忆合金微观结构、晶体学织构和SIMT行为的影响，揭示了能量输入模式对材料性能的关键作用。研究结果不仅有助于理解镍钛形状记忆合金在LPBF工艺中的行为机制，还为未来优化材料性能提供了重要的指导。这些发现对于推动镍钛形状记忆合金在生物医学和工业领域的应用具有重要意义。