使用XGBoost和基因表达编程对LC3-ECC压缩强度进行预测建模与解释

《Materials Today Communications》：Predictive Modeling and Interpretation of LC3-ECC Compressive Strength Using XGBoost and Gene Expression Programming

本研究通过激光粉末床融合（LPBF）制备NiTi形状记忆合金，对比低功率/低速（Sample I）和高功率/高速（Sample II）两种工艺，利用同步辐射高能X射线衍射和电子背散射衍射分析发现：Sample I具有更优的变形能力和SIMT动力学，而Sample II晶粒更细且孔隙率低。该研究为优化LPBF参数以调控NiTi合金功能性能提供了关键指导。

　　本研究深入探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制造的NiTi形状记忆合金的微观结构演变、晶体学织构发展以及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为。通过使用同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术，对两种不同的加工条件进行了原位研究：第一种是低激光功率与低扫描速度的组合（样品I），第二种是较高激光功率与较高扫描速度的组合（样品Ⅱ）。这两种加工条件的设计目标是实现相同的体积能量密度（VED）。研究结果表明，样品I呈现出更随机取向、更粗大的晶粒以及更高的孔隙率，而样品Ⅱ则在奥氏体相中发展出强烈的?001?纤维织构，同时观察到缺陷密度的降低。在原位HE-XRD拉伸实验中，加载方向（LD）与水平方向（与构建方向平行）一致时，样品I表现出更高的延展性、更平坦的SIMT平台以及更快的马氏体相变速率。在两种LPBF样品中，随着变形的发生，取向的马氏体晶粒之间出现了显著的晶粒间相互作用，这一现象通过观察到[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变得到了证实。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的指导。

NiTi形状记忆合金因其优异的超弹性和形状记忆效应，广泛应用于生物医学植入物和工业领域。这些独特的性能来源于奥氏体（B2）与马氏体（B19’）之间的可逆非扩散相变。随着NiTi应用场景的日益复杂，传统的制造技术（如铸造、锻造）在制造NiTi组件时面临显著的挑战和几何限制。其独特的形状记忆效应和超弹性特性带来了特殊的加工难题，经常导致表面质量下降、尺寸不一致以及工具的快速磨损。这些固有的限制促使了对创新制造方法的研究。

增材制造（AM）技术提供了更大的设计自由度，并能够制造传统技术难以实现或成本较高的复杂结构。LPBF作为一种典型的AM技术，通过逐层熔化金属粉末，能够制造出复杂的三维结构，其微观结构和机械性能与传统加工的NiTi合金有所不同。一些打印出的NiTi合金表现出更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，并且没有明显的Lüders带变形行为。大量研究已经开展，以理解不同打印参数组合（在保持相同能量密度的前提下）对材料的微观结构、相变行为和机械性能的影响。例如，Xu等人研究了在不同参数组合下，保持相同能量密度的NiTi合金的机械性能和相变温度的显著差异。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产生了显著影响。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NiTi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，熔池的最大温度升高，而随着扫描速度的增加，熔池温度超过镍沸点所需的时间间隔缩短。同时，他们还观察到在较高扫描速度下，镍的烧蚀损失增加，热阈值能量降低，并且?001?织构更加明显。

尽管已经进行了大量努力，以建立LPBF制造NiTi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，不同能量输入模式下NiTi合金的微观结构和机械特性仍存在关键的知识空白。特别是，较高功率/较高速度与较低功率/较低速度加工条件对打印缺陷和SIMT动力学的差异化影响尚未被充分理解。这种限制阻碍了通过LPBF制造NiTi组件时对其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性的影响，以及（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联。采用两种不同的参数组合：低功率/低速度（用于样品I）和高功率/高速度（用于样品Ⅱ），通过LPBF工艺制造多晶NiTi形状记忆合金。通过将同步辐射高能X射线衍射与原位单轴拉伸测试相结合，系统地研究了在两种打印参数组合下LPBF制造NiTi合金的变形行为和SIMT特性。研究结果为增材制造NiTi形状记忆合金的微观结构和功能特性优化提供了基础性的见解。

实验所使用的商业球形近等原子比Ti-50.8 at.% Ni合金粉末是由Avi Metal Powder Metallurgy Technology Co., Ltd.（中国西安）通过电极感应熔融气体雾化（EIGA）工艺制造的。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，这些粉末具有优异的球形度和光滑表面。图1d的插入能谱确认了粉末主要由钛和镍组成，没有其他杂质。

研究发现，样品Ⅱ在LPBF过程中形成的微观结构和孔隙率低于样品I。样品Ⅱ中的孔隙尺寸也比样品I略小。缺陷密度的差异主要由两个因素造成：（i）在低功率/低扫描速度的组合下，能量输入不足导致粉末熔化不完全；（ii）在高功率/高扫描速度的组合下，熔化过程更加充分，减少了缺陷的形成。此外，高功率/高扫描速度的组合不仅提高了熔池的最大温度，还缩短了熔池温度超过镍沸点所需的时间，导致镍的烧蚀损失增加。同时，高扫描速度促进了?001?织构的发展，这与样品Ⅱ在奥氏体相中表现出的强烈纤维织构一致。

在变形过程中，不同晶粒之间的相互作用对材料的性能产生了重要影响。样品I中的晶粒取向较为随机，晶粒尺寸较大，孔隙率较高，这些因素导致了材料在拉伸过程中表现出不同的变形行为。与之相比，样品Ⅱ的晶粒取向较为一致，晶粒尺寸较小，孔隙率较低，这使得材料在拉伸过程中表现出更高的延展性。在原位HE-XRD拉伸实验中，加载方向与水平方向一致时，样品I表现出更平坦的SIMT平台和更快的相变速率，而样品Ⅱ则表现出更明显的晶粒间相互作用，这可能与其在奥氏体相中形成的强烈?001?织构有关。这些发现表明，加工参数的选择对NiTi形状记忆合金的微观结构和功能特性具有显著影响。

研究还发现，激光功率和扫描速度的协同作用对NiTi合金的性能具有重要影响。较高的激光功率有助于提高材料的各向异性，并细化晶粒结构，而较低的激光功率和扫描速度则有助于提高材料的机械性能，但可能降低微观结构的均匀性。尽管两种加工条件都可以产生相近的马氏体相变温度，但它们在微观结构和晶体学织构方面存在显著差异，这可能影响材料在实际应用中的性能表现。例如，样品Ⅱ在奥氏体相中形成的强烈?001?织构可能与其较高的机械性能有关，而样品I的随机晶粒取向和较高孔隙率可能与其较低的机械性能有关。

此外，研究还发现，扫描速度对材料的晶体学织构发展具有重要影响。较低的扫描速度更有利于形成粗大的柱状晶粒，而较高的扫描速度则导致晶粒细化。这种晶粒结构的变化可能对材料的性能产生显著影响，例如，晶粒细化通常会提高材料的强度和硬度，但可能降低延展性。在本研究中，样品Ⅱ的晶粒结构更为精细，这可能与其较高的扫描速度有关，而样品I的晶粒结构更为粗大，这可能与其较低的扫描速度有关。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重要的参考。

综上所述，本研究通过系统分析不同加工参数对NiTi形状记忆合金的微观结构、晶体学织构和SIMT行为的影响，揭示了在相同体积能量密度水平下，不同能量输入模式对材料性能的差异化影响。这些结果不仅有助于理解NiTi合金在LPBF过程中的微观结构演变规律，还为实现材料性能的精准调控提供了理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索不同加工参数组合对材料性能的影响，以期开发出更优的制造工艺，提高NiTi形状记忆合金在实际应用中的性能表现。