通过定向能量沉积制备的新型Ti-6Al-4V-2Cr-xMo合金的微观结构-性能评估及等轴化调控

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure–Property Evaluation and Equiaxed Regulation of Novel Ti-6Al-4V-2Cr- xMo Alloys Fabricated by Directed Energy Deposition

NiTi形状记忆合金通过激光粉末床融合制备，对比低功率/低速度（Sample I）和高功率/高速度（Sample II）工艺，研究其微结构演变、晶体学织构及应力诱导马氏体相变行为。结果表明Sample I晶粒粗大、多孔但延展性更好，Sample II晶粒细化、缺陷密度低且形成强?001?织构。加载方向与成形方向平行时，Sample I表现出更优的变形能力和相变特性，但存在显著的晶界间相互作用。研究为优化LPBF参数调控合金功能性能提供指导。

　　本文探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的NiTi形状记忆合金在不同加工参数下的微观结构演化、晶体学织构发展以及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为。研究旨在揭示在相同体积能量密度（VED）条件下，不同能量输入模式对合金性能的影响，从而为优化LPBF工艺参数、提升NiTi形状记忆合金的功能特性提供理论依据和实践指导。

在实验设计中，研究人员选择了两种截然不同的加工模式：一种是低激光功率与低扫描速度相结合（记作Sample I），另一种则是高激光功率与高扫描速度相结合（记作Sample Ⅱ）。尽管这两种模式所对应的体积能量密度相同，但它们在微观结构和机械性能上表现出显著差异。Sample I呈现出更为随机的晶粒取向和较大的晶粒尺寸，同时伴随着较高的孔隙率。相比之下，Sample Ⅱ则表现出强烈的?001?纤维织构，沿构建方向排列，并且其缺陷密度明显降低。这些差异表明，加工参数的选择不仅影响合金的微观结构特征，还深刻影响其宏观性能表现。

为了深入理解这些现象，研究团队利用了同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）技术与原位单轴拉伸实验相结合的方法。通过这种方法，研究人员能够实时监测合金在受力过程中的微观结构变化，并分析其SIMT行为。结果显示，在拉伸方向与水平方向一致的情况下，Sample I表现出更高的延展性，SIMT平台更为平缓，且马氏体相变速率更高。这些特性表明，在特定加工条件下，合金的变形行为与相变动力学具有高度的可调控性。

进一步的分析表明，两种加工模式下的合金在变形过程中均出现了显著的晶粒间相互作用。特别是在Sample I中，由于其较高的孔隙率和较大的晶粒尺寸，晶粒间的相互作用更为明显。这种相互作用通过观察到的[111]//LD方向的马氏体晶粒出现负的晶格应变得以证实。负的晶格应变通常与晶粒内部的应力分布和变形机制有关，暗示着在变形过程中，晶粒间的协同作用对整体性能的影响。这一发现不仅加深了对NiTi合金在LPBF过程中微观结构演化机制的理解，也为未来研究提供了新的视角。

在讨论部分，研究团队指出，选择合适的LPBF参数对于NiTi合金的性能优化至关重要。高功率条件虽然能够增强合金的各向异性并细化晶粒结构，但同时也可能带来一些负面效应，如元素蒸发和氧化等，这些因素会改变合金的相变温度范围，进而影响其功能特性。而低功率和低扫描速度条件虽然有助于提高合金的机械性能，但可能牺牲了微观结构的均匀性，导致更多的缺陷和孔隙。因此，在实际应用中，如何在提升性能和保证结构质量之间找到平衡，是优化LPBF工艺的关键挑战之一。

此外，研究还揭示了不同加工参数对合金晶体学织构的影响。在LPBF过程中，合金的织构发展通常受到激光功率和扫描速度的共同作用。高功率和高扫描速度的组合能够促使合金形成更强烈的?001?纤维织构，这种织构对合金的力学性能具有重要影响。例如，?001?织构的合金在压缩过程中表现出较低的屈服应力，而在拉伸过程中则可能具有更高的延展性。这些特性使得合金在特定应用场景下展现出优异的性能表现，同时也为后续的性能调控提供了理论基础。

在实验方法部分，研究团队采用了高质量的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）工艺制造而成。粉末具有良好的球形度和光滑表面，这为后续的LPBF过程提供了优良的原材料。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员确认了粉末的均匀性和高质量特性，这为后续实验的可靠性奠定了基础。

在微观结构和晶体学取向的分析中，研究团队发现Sample II的孔隙率显著低于Sample I，且其孔隙尺寸也更小。这一现象可能与加工过程中能量输入的分布和熔融池的热力学行为有关。高功率和高扫描速度的组合能够提供更均匀的能量分布，从而减少孔隙的形成。同时，较高的能量输入有助于促进晶粒的再结晶和致密化，减少缺陷密度。这些发现进一步验证了加工参数对合金微观结构和性能的深远影响。

在SIMT行为的分析中，研究团队通过原位HE-XRD拉伸实验，发现Sample I在拉伸过程中表现出更高的延展性和更平缓的SIMT平台。这表明，在低功率和低扫描速度条件下，合金的相变过程更加均匀和可控，有助于提升其形状记忆效应和超弹性性能。相比之下，Sample Ⅱ虽然具有更精细的晶粒结构和更强烈的织构，但在拉伸过程中表现出较低的延展性，这可能与其较高的各向异性有关。这些结果为理解NiTi合金在不同加工条件下的性能表现提供了重要依据。

综上所述，本文通过系统的实验研究，揭示了不同LPBF加工参数对NiTi形状记忆合金微观结构和性能的影响。研究结果表明，在相同体积能量密度的条件下，低功率/低扫描速度和高功率/高扫描速度的加工模式会导致不同的微观结构特征和SIMT行为，进而影响合金的机械性能和功能特性。这些发现不仅为NiTi合金的加工优化提供了理论支持，也为未来在生物医学和工业领域中应用该材料奠定了基础。