R?NiIrO?（R = Pr 和 Nd）的结构、磁性、光学、介电及电子性质：一项全面的实验与理论研究

《Materials Today Communications》：Structural, magnetic, optical, dielectric and electronic properties of R 2NiIrO 6 (R = Pr and Nd): A comprehensive experimental and theoretical Investigation

本研究对比了激光粉末床熔融制备的NiTi合金两种加工参数对微观结构、晶体学织构及应力诱导马氏体相变行为的影响，发现低功率/低速度参数（Sample I）在变形时表现出更高的延展性和更平缓的相变平台，而高参数（Sample II）则形成更强的?001?纤维织构。两者在变形中均出现晶粒间相互作用及负晶格应变，为优化参数提供指导。

　　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（NiTi SMAs）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。研究采用了两种不同的加工参数组合，利用同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术进行原位分析。第一种参数组合为低激光功率与低扫描速度（Sample I），第二种为相对较高的激光功率与高扫描速度（Sample Ⅱ）。两种参数组合的目标是实现相同的体积能量密度（VED）。研究发现，Sample I表现出更随机取向、更粗大的晶粒以及更高的孔隙率，而Sample Ⅱ则在奥氏体相中发展出沿构建方向的强?001?纤维织构，并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）平行于水平方向（即构建方向），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。在两种LPBF样品中，随着变形的进行，取向的马氏体晶粒之间出现了显著的晶粒间相互作用，这通过观察到[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变得到证实。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。

镍钛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）与马氏体（B19'）之间的可逆非扩散相变。随着镍钛应用场景的日益复杂，传统制造技术（如铸造、锻造）生产的镍钛组件面临着显著的挑战和几何限制。由于其特殊的形状记忆效应和超弹性特性，这些材料在加工过程中存在特定的难题，常常导致表面质量下降、尺寸不一致以及工具快速磨损。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）技术提供了更高的设计自由度，并能够制造传统方法难以实现或成本较高的复杂结构。激光粉末床熔融（LPBF）作为AM技术的一种典型形式，通过逐层熔化金属粉末，制造出具有不同微观结构和机械性能的镍钛合金。一些通过LPBF制造的镍钛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，以及较低的抗拉断裂延展性。同时，它们在拉伸过程中没有明显的Lüders带变形行为。为了提高LPBF制造的镍钛合金的微观结构、机械和功能性能，已有大量研究关注于打印参数的优化。研究表明，体积能量密度（VED）在表面质量、相变温度和机械性能方面起着至关重要的作用。在VED的核心变量中，激光功率（P）和扫描速度（V）之间的协同关系成为研究重点。高功率输入倾向于引起元素蒸发（如镍损失）、氧化、沉淀物和夹杂物（如Ni?Ti?、Ti?Ni）的生成，从而改变相变温度范围。镍的蒸发主要受扫描速度影响，而零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，扫描速度也对微观结构演变和晶体学织构发展具有显著影响。低扫描速度更有利于形成粗大的柱状晶粒，而提高扫描速度则会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关键影响。在LPBF加工的镍钛合金中，常见的晶体学织构主要包括沿构建方向的?100?、?110?和?111?取向。?100?织构由于较高的Schmid因子，在压缩过程中表现出“软取向”，从而导致较低的屈服应力。Chen等人和Shi等人指出，?110?和?111?织构的镍钛样品在变形路径依赖性方面较弱，但在拉伸和压缩性能方面存在显著差异。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，并提出织构成分在LPBF-NiTi中控制着超弹性特性。为了理解不同打印参数组合（在保持相同能量密度的情况下）对材料的微观结构、相变行为和机械性能的影响，已有大量研究进行。例如，Xu等人指出，通过不同参数组合制造的镍钛合金在机械性能和相变温度方面存在显著差异。值得注意的是，激光功率和扫描速度对零件质量和样品中球形孔隙的存在有显著影响。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的镍钛合金。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，熔池温度超过镍的沸点所需的时间间隔缩短。此外，他们还观察到在较高扫描速度下，镍的蒸发损失显著，热阈值能量降低，并且?001?织构得到了增强。

尽管已有大量研究致力于建立LPBF制造的镍钛合金的工艺-微观结构-性能关系，但在相同体积能量密度水平下，不同能量输入方式制造的镍钛合金的微观结构和机械特性方面仍存在关键的知识空白。具体而言，高功率/高扫描速度与低功率/低扫描速度两种加工条件对打印缺陷和SIMT动力学的影响尚未充分理解。这种局限性阻碍了通过LPBF制造的镍钛组件的功能性能的有效调控。

本研究设计实验以（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）在不同能量输入条件下建立SIMT动力学与机械响应之间的定量关系。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）制造多晶镍钛形状记忆合金。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制造的镍钛合金的变形行为和SIMT特性。研究结果为增材制造的镍钛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。

实验中使用的商业级球形近等原子比Ti-50.8 at.% Ni合金粉末由Avi Metal Powder Metallurgy Technology Co., Ltd.（中国西安）通过电极感应熔融气体雾化（EIGA）技术制造。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，这些粉末具有良好的球形度和光滑表面。图1d中的插入能谱（EDS）确认了粉末的主要成分为钛和镍，且没有其他显著的杂质。粉末的均匀性和纯净度为后续的LPBF加工提供了良好的基础。

通过原位HE-XRD和EBSD技术，研究团队对两种样品的微观结构和晶体学取向进行了详细分析。在Sample I中，低功率和低扫描速度导致了较粗大的晶粒，晶粒取向较为随机，并且孔隙率较高。这可能是因为在低能量输入条件下，粉末的熔化和凝固过程不够充分，导致晶粒生长不均匀以及孔隙的形成。相比之下，Sample Ⅱ在高功率和高扫描速度下，形成了更细小的晶粒，并且晶粒取向趋于一致，呈现出明显的?001?纤维织构。这种织构的形成可能与较高的能量输入促进更均匀的熔化和凝固过程有关，从而有助于晶粒的有序排列。此外，Sample Ⅱ的孔隙率较低，且孔隙尺寸较小，这表明高能量输入可能有助于减少孔隙的形成，提高材料的致密性。

在SIMT行为方面，原位HE-XRD拉伸实验表明，Sample I在拉伸过程中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。这可能与Sample I中较高的孔隙率和较粗大的晶粒有关，这些因素可能影响材料的变形能力和相变动力学。而Sample Ⅱ由于其较高的致密性和更有序的晶粒排列，可能在拉伸过程中表现出更稳定的变形行为。然而，由于Sample I的晶粒取向较为随机，可能在变形过程中导致晶粒间的相互作用，从而影响SIMT的进行。

在两种样品的变形过程中，观察到取向的马氏体晶粒之间出现了显著的晶粒间相互作用。这种相互作用可能与晶粒的取向有关，不同的取向可能影响晶粒之间的应力传递和变形协调。在Sample I中，由于晶粒取向的随机性，晶粒间的相互作用可能更为复杂，从而导致更多的晶格应变和变形行为。而在Sample Ⅱ中，由于晶粒取向的有序性，晶粒间的相互作用可能更加协调，从而减少晶格应变，提高材料的变形稳定性。

这些研究结果表明，LPBF加工参数的选择对镍钛形状记忆合金的微观结构和功能特性具有显著影响。高功率和高扫描速度的组合有助于形成更细小的晶粒和更有序的晶体学织构，从而提高材料的致密性和机械性能。然而，这种组合也可能导致较高的残余应力和晶粒间相互作用，影响材料的延展性和变形行为。相反，低功率和低扫描速度的组合虽然有助于提高材料的延展性，但可能导致晶粒取向的随机性以及较高的孔隙率，从而影响材料的致密性和机械性能。

本研究通过系统的实验和分析，揭示了在相同体积能量密度条件下，不同能量输入方式对镍钛形状记忆合金的微观结构和SIMT行为的影响。这些发现不仅有助于理解镍钛形状记忆合金的加工机制，还为优化LPBF参数以调控材料的功能特性提供了理论依据和实践指导。通过调整激光功率和扫描速度，可以实现对晶粒大小、取向和缺陷密度的控制，从而优化材料的性能。此外，研究还表明，晶体学取向在材料的机械和功能特性中起着关键作用，不同的取向可能导致不同的变形行为和相变动力学。因此，在设计和优化LPBF工艺时，需要综合考虑激光功率、扫描速度以及晶体学取向等因素，以实现最佳的材料性能。

研究团队还强调，通过原位HE-XRD和EBSD技术，可以更精确地监测材料的微观结构演变和SIMT行为。这些技术能够提供实时的晶格应变信息和晶体学取向数据，有助于深入理解材料在加工和变形过程中的行为。此外，研究还表明，激光功率和扫描速度的协同作用对材料的性能有重要影响。高功率输入可能导致元素蒸发和氧化，从而影响材料的化学成分和相变温度。而高扫描速度则可能导致非平衡凝固条件，影响晶粒的形成和取向，从而改变材料的机械性能。因此，在优化LPBF参数时，需要平衡激光功率和扫描速度，以避免不必要的缺陷和性能损失。

本研究的成果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。通过优化加工参数，可以实现对材料性能的精确调控，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究还揭示了在相同体积能量密度条件下，不同能量输入方式对材料性能的影响，为未来的研究提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨不同能量输入方式对材料的微观结构和功能特性的影响，以及如何通过调整加工参数实现最佳的性能平衡。

综上所述，这项研究通过系统的实验和分析，揭示了LPBF工艺对镍钛形状记忆合金的微观结构和SIMT行为的影响。研究结果表明，不同能量输入方式对材料的性能具有显著影响，高功率和高扫描速度的组合有助于形成更细小的晶粒和更有序的晶体学织构，从而提高材料的致密性和机械性能。而低功率和低扫描速度的组合虽然有助于提高延展性，但可能导致晶粒取向的随机性以及较高的孔隙率，从而影响材料的致密性和机械性能。这些发现为优化LPBF参数以调控镍钛形状记忆合金的功能特性提供了关键的指导，同时也为未来的研究提供了理论依据和实践方向。通过进一步的研究，可以更深入地理解不同能量输入方式对材料性能的影响，以及如何通过调整加工参数实现最佳的性能平衡。