基于ScAlN的非易失性、高开关比、耐用的忆阻器器件，用于人工突触

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Non-volatile, high on/off ratio, durable memristor devices based on ScAlN for artificial synapse

NiTi形状记忆合金通过激光粉末床熔融（LPBF）在两种加工参数下（低功率/低速Sample I，高功率/高速Sample II，相同体积能量密度）研究微结构演变、晶体织构及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为，发现Sample II晶粒更细、织构更强且缺陷更少，但Sample I抗拉强度更高、SIMT平台更平坦且相变速率更快。

　　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。研究中采用了两种不同的加工参数组合，通过原位同步辐射高能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（Sample I），第二种是相对较高的激光功率与高扫描速度（Sample Ⅱ）。尽管这两种参数组合的目标是达到相同的体积能量密度，但它们在材料性能和微观结构上表现出显著差异。

Sample I展现出更为随机取向且粗大的晶粒结构，同时伴随着较高的孔隙率。相比之下，Sample Ⅱ则在奥氏体相中形成了强烈的?001?纤维织构，沿构建方向排列，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）与水平方向平行（即与构建方向平行）时，Sample 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。值得注意的是，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，这从观察到的[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变中得到了体现。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形状记忆合金因其卓越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。这些特性源于奥氏体（B2）和马氏体（B19'）之间的可逆无扩散相变。随着NiTi应用场景的日益复杂，传统制造技术（如铸造和锻造）生产的NiTi组件面临显著的挑战和几何限制。由于其独特的形状记忆效应和高超弹性，NiTi材料在加工过程中表现出特殊的加工难度，常导致表面质量下降、尺寸不一致以及工具磨损加剧。这些固有的限制促使研究者探索创新的制造方法。

增材制造（AM）技术提供了更大的设计自由度，并能够生产传统技术难以或成本高昂的复杂结构。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，其微观结构和机械性能与传统加工的NiTi合金有所不同。一些通过LPBF打印的NiTi材料展现出更高的位错密度和残余应力，同时具备更好的压缩抗拉强度，但拉伸断裂应变有所下降，而且没有明显的Lüders带变形行为。为了提升LPBF制造的NiTi合金的微观结构、机械和功能特性，已有大量研究致力于优化打印参数。

先前的研究表明，体积能量密度（VED）在很大程度上影响了材料的表面质量、相变温度和机械性能。在VED的核心变量中，激光功率（P）与扫描速度（V）之间的协同关系受到了特别关注。高功率输入往往导致元素蒸发（如Ni的损失）、氧化、析出物和夹杂物（如Ni?Ti?、Ti?Ni）的产生，从而改变相变温度范围。Ni的蒸发主要受扫描速度的影响，而部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?）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，扫描速度还调控着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粒，而增加的扫描速度则导致显著的晶粒细化。

晶体学取向已被证明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?织构由于较高的Schmid因子，在压缩条件下表现出“软取向”，导致较低的屈服应力。Chen等人和Shi等人指出，?110?和?111?织构的NiTi样品表现出较弱的变形路径依赖性，但?001?织构的样品在拉伸和压缩性能上表现出显著差异。Safdel等人通过Schmid因子的变化解释了与织构相关的变形各向异性，并提出织构组成决定了LPBF-NiTi的超弹性特性。已有大量研究致力于理解不同打印参数组合（在保持相同能量密度的情况下）对材料微观结构、相变行为和机械性能的影响。例如，Xu等人发现，在相同能量密度下，通过不同参数组合制造的NiTi合金在机械性能和相变温度上存在显著差异。值得注意的是，激光功率和扫描速度对部件质量和样品中的球形孔隙有显著影响。

尽管已有大量努力用于建立LPBF制造的NiTi合金的工艺-微观结构-性能关系，但在相同体积能量密度下，不同能量输入方式对NiTi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，高功率/高扫描速度与低功率/低扫描速度加工条件对打印缺陷和SIMT动力学的差异化影响尚未完全理解。这种限制阻碍了通过LPBF制造的NiTi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，以及（ii）在不同能量输入方式下建立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/低扫描速度（用于Sample I）和高功率/高扫描速度（用于Sample Ⅱ）来制造多晶NiTi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，系统地研究了在两种打印参数组合下，LPBF制造的NiTi合金的变形行为和SIMT特性。研究结果为增材制造的NiTi形状记忆合金提供了基础的微观结构和功能特性优化见解。

实验中使用的商业球形近等原子比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，这些粉末具有优异的球形度和光滑表面。图1d中的插入能谱（EDS）确认了粉末主要由Ti和Ni组成，且没有其他显著杂质。

通过原位同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术，研究了两种不同激光加工条件下的SIMT行为和变形特性。实验结果表明，在相同体积能量密度下，高功率/高扫描速度条件与低功率/低扫描速度条件在材料性能和微观结构上存在显著差异。具体而言，高功率/高扫描速度条件下的样品表现出更低的孔隙率，且晶粒尺寸更小。这种缺陷密度的差异主要由两个因素引起：（i）在低功率/低扫描速度组合下，能量输入不足导致粉末熔化不完全，以及（ii）高功率/高扫描速度组合下，较高的热输入促进了更精细的晶粒结构和更强的?001?织构形成。此外，高功率/高扫描速度条件下的样品在相变温度方面也表现出不同的特征，这与加工参数的调控密切相关。

研究结果进一步揭示了在相同体积能量密度下，不同能量输入方式对NiTi合金的微观结构和机械性能具有不同的影响。高功率/高扫描速度条件下的样品表现出更高的热输入，导致更快速的熔化和凝固过程，从而形成更精细的晶粒结构和更强的织构。这种晶粒结构和织构的变化对材料的机械性能和功能特性产生了重要影响。例如，高功率/高扫描速度条件下的样品在拉伸测试中表现出更高的延展性和更平坦的SIMT平台，而低功率/低扫描速度条件下的样品则在机械性能上更为优越，但微观结构的均匀性有所下降。这种差异源于不同能量输入方式对材料内部应力状态和晶粒生长方式的影响。

此外，研究还发现，在相同体积能量密度下，不同能量输入方式对材料的表面质量、孔隙率和缺陷密度具有不同的影响。高功率/高扫描速度条件下的样品在表面质量上表现更优，孔隙率更低，缺陷密度更小。而低功率/低扫描速度条件下的样品虽然在机械性能上更佳，但表面质量较低，孔隙率较高，缺陷密度较大。这种差异主要归因于能量输入方式对粉末熔化过程和凝固行为的影响。高功率/高扫描速度条件下的样品在熔化过程中能够更充分地吸收能量，从而形成更均匀的熔池，减少气孔和缺陷的形成。而低功率/低扫描速度条件下的样品由于能量输入不足，熔池不够充分，导致气孔和缺陷的产生。

综上所述，这项研究为优化LPBF参数以调控NiTi形状记忆合金的功能特性提供了重要的理论依据和实验支持。通过深入分析不同能量输入方式对材料微观结构和机械性能的影响，揭示了材料性能与加工参数之间的复杂关系。这些发现不仅有助于提升NiTi合金的性能，也为未来在增材制造领域中开发高性能材料提供了新的思路和方向。