激光粉末床熔融参数对NiTi合金在恒定体积能量密度水平下的变形行为和应力诱导马氏体转变的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Influence of laser powder bed fusion parameters on deformation behavior and stress-induced martensitic transformation in NiTi alloys at constant volumetric energy density level

NiTi形状记忆合金通过激光粉末床熔融（LPBF）加工，比较低功率/低速度（Sample I）与高功率/高速度（Sample II）参数对微观结构、晶体织构及应力诱导马氏体相变（SIMT）行为的影响。结果显示Sample I延展性更优且SIMT平台更平坦，而Sample II具有更强的?001?织构和更低的缺陷密度，两者变形时均出现晶粒间相互作用导致的负晶格应变。研究为优化LPBF参数以调控NiTi合金功能性能提供指导。

　　本研究系统地探讨了通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备的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。通过采用同步辐射高能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：一种是低激光功率与低扫描速度相结合（样品I），另一种是相对较高的激光功率与较高的扫描速度相结合（样品Ⅱ）。两种条件均设计为达到相同的体积能量密度（VED）。研究结果表明，样品I表现出更随机取向且更粗大的晶粒，以及更高的孔隙率，而样品Ⅱ则在奥氏体相中发展出沿构建方向的强?001?纤维织构，并观察到缺陷密度有所降低。原位HE-XRD拉伸实验显示，在加载方向（LD）平行于水平方向（即平行于构建方向）的情况下，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，这通过观察到的[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形状记忆合金因其卓越的超弹性和形状记忆特性，已被广泛应用于生物医学植入物和工业领域。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。然而，随着NiTi应用场景的日益复杂，传统制造技术（如铸造和锻造）在生产NiTi组件时面临显著的挑战和几何限制。这些限制主要源于材料的固有特性和加工过程中的约束。此外，NiTi合金的形状记忆效应和超弹性特性也带来了特殊的加工难题，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）作为典型的AM技术，通过逐层熔化金属粉末，可以制造出具有不同于传统加工NiTi合金的微观结构和机械性能的三维结构。一些打印出的NiTi合金表现出更高的位错密度和残余应力，同时具有更好的压缩拉伸断裂强度，但拉伸断裂应变有所降低，且没有明显的Lüders带变形行为。因此，许多研究致力于优化打印参数，以提高通过LPBF工艺制备的NiTi合金的微观结构、机械和功能特性。已有研究表明，体积能量密度（VED）在很大程度上影响了表面质量、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）之间的协同关系成为研究的焦点。高功率输入通常会导致元素蒸发（如Ni的损失）、氧化、沉淀物和夹杂物（如Ni4Ti3和Ti2Ni）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。较高的扫描速度会促进非平衡凝固条件，导致马氏体相变温度（Ms、Mf）降低，抑制B19’相的形成，并在室温下增强B2相的保留。此外，扫描速度还影响微观结构的演变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，而增加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。其中，?100?织构由于较高的Schmid因子，在压缩过程中表现出“软取向”特性，导致较低的屈服应力。Chen等人和Shi等人发现，?110?和?111?织构的NiTi样品在变形过程中表现出较弱的变形路径依赖性，但?001?织构样品在拉伸和压缩性能上存在显著差异。Safdel等人通过分析Schmid因子的变化解释了织构相关的变形各向异性，并提出织构组成对LPBF-NiTi的超弹性具有调控作用。为了理解不同打印参数组合（在保持相同能量密度的前提下）对材料微观结构、相变行为和机械性能的影响，已有大量研究被开展。例如，Xu等人发现，在相同能量密度下，不同的参数组合会导致NiTi合金的机械性能和相变温度出现显著差异。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具有显著影响。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，熔池的最大温度上升，而扫描速度的增加则缩短了熔池温度超过镍沸点的时间间隔。同时，他们还观察到在较高扫描速度下，镍的蒸发损失更为显著，热阈值能量降低，并伴随着?001?织构的增强。

尽管已有大量研究致力于建立LPBF加工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，相对高功率/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动力学的差异性影响尚未被充分理解。这一局限性阻碍了通过LPBF工艺制造的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性的影响，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联。我们采用了两种不同的参数组合：低功率/低扫描速度（样品I）和高功率/高扫描速度（样品Ⅱ），以通过LPBF工艺制备多晶NiTi形状记忆合金。通过将同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）与原位单轴拉伸测试相结合，我们系统地研究了这两种打印参数组合下LPBF制备的NiTi合金的变形行为和SIMT特性。研究结果为增材制造NiTi形状记忆合金提供了基础的微观结构和功能特性优化见解。

实验所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）通过电极感应熔炼气体雾化（EIGA）技术制造的。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，这些粉末具有良好的球形度和光滑的表面。图1d的插入能谱（EDS）谱图确认了粉末的主要成分为Ti和Ni，且没有明显的杂质存在。这为后续实验提供了高质量的原材料基础。

在微观结构和晶体学取向方面，图3展示了LPBF过程中形成的微观结构和孔隙率。如图3a和图3e所示，样品Ⅱ在采用相对较高的激光功率和扫描速度时，表现出比样品I更低的孔隙率。样品Ⅱ中的孔隙尺寸也略小于样品I中的孔隙。缺陷密度的差异主要由两个因素引起：（i）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；（ii）高功率/高扫描速度条件下，熔池温度较高，有助于减少孔隙的形成。此外，高功率/高扫描速度加工条件下的熔池更稳定，从而降低了缺陷的发生概率。这些结果表明，不同的加工参数组合对NiTi合金的微观结构和孔隙率具有显著影响，这进一步强调了参数优化在提高材料性能中的重要性。

在讨论部分，本研究指出，当打印NiTi合金时，LPBF参数的选择需要在不同性能目标之间进行关键权衡。相对较高的功率条件有助于增强各向异性并细化晶粒结构，而较低的功率和扫描速度则有利于提高机械性能，但可能会牺牲微观结构的均匀性。值得注意的是，尽管这两种加工条件都能实现相近的马氏体相变温度，但它们生成的微观结构和晶体学织构存在差异，最终影响了材料的性能表现。在样品Ⅱ中，由于高功率和高扫描速度的协同作用，形成了沿构建方向的强?001?纤维织构，这种织构对材料的变形行为和SIMT动力学具有重要影响。此外，样品Ⅱ中的缺陷密度较低，这可能与其较高的熔池温度和较短的熔化时间有关。在样品I中，由于较低的功率和扫描速度，导致熔池温度较低，熔化时间较长，从而增加了缺陷的形成概率。这些结果表明，能量输入方式对NiTi合金的微观结构和织构发展具有重要影响，进而影响其功能性能。

在结论部分，本研究采用原位同步辐射X射线衍射和EBSD技术，对在两种不同的激光加工条件下（相对高功率/高扫描速度和相对低功率/低扫描速度）制备的NiTi合金的SIMT行为和变形特性进行了研究。研究的主要发现如下：

首先，高功率/高扫描速度加工条件下的NiTi合金表现出更低的马氏体相变温度（Ms和Mf），这可能与较高的熔池温度和非平衡凝固条件有关。低功率/低扫描速度加工条件下的样品则表现出较高的相变温度，这可能与较低的熔池温度和较慢的凝固速率有关。因此，不同的能量输入方式对相变温度具有显著影响，这为调控NiTi合金的形状记忆和超弹性特性提供了新的思路。

其次，高功率/高扫描速度加工条件下的样品显示出更精细的晶粒结构，这可能与较高的熔池温度和较短的凝固时间有关。相比之下，低功率/低扫描速度加工条件下的样品则表现出更粗大的晶粒，这可能与较低的熔池温度和较长的凝固时间有关。因此，加工参数的选择对晶粒尺寸和分布具有重要影响，进而影响材料的机械性能。

第三，高功率/高扫描速度加工条件下的样品在奥氏体相中形成了强的?001?纤维织构，这可能与较高的熔池温度和较快的凝固速率有关。这种织构对材料的变形行为和SIMT动力学具有重要影响，可能导致更均匀的相变行为和更稳定的机械性能。而低功率/低扫描速度加工条件下的样品则表现出更随机的晶粒取向，这可能与其较低的熔池温度和较慢的凝固速率有关。这种随机的晶粒取向可能导致更复杂的变形行为和更不稳定的相变过程。

第四，原位HE-XRD拉伸实验显示，样品I在加载方向平行于水平方向的情况下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。这可能与其更粗大的晶粒和更高的孔隙率有关，这些因素可能降低了材料的强度，但提高了其延展性。而样品Ⅱ在相同的加载条件下表现出较低的延展性，但更稳定的SIMT平台和更慢的相变速率。这可能与其更精细的晶粒结构和更低的孔隙率有关，这些因素可能提高了材料的强度，但降低了其延展性。

最后，研究发现，随着变形的发生，两种样品中的取向马氏体晶粒之间出现了显著的晶粒间相互作用。这种相互作用可能通过晶格应变的变化来体现，如样品I中观察到的[111]//LD马氏体晶粒的负晶格应变。这表明，不同加工参数组合下的NiTi合金在变形过程中表现出不同的微观结构演变行为，这可能与晶粒的取向和尺寸有关。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了不同LPBF加工参数对NiTi形状记忆合金的微观结构、晶体学织构和功能性能的影响。这些发现不仅为优化LPBF工艺参数提供了重要的理论依据，也为开发具有优异性能的NiTi合金提供了新的方向。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优化策略，以及如何通过控制微观结构和织构来提高NiTi合金的功能特性。此外，研究还可以扩展到其他形状记忆合金，以验证这些发现的普适性。通过深入理解LPBF加工对NiTi合金的影响，有望为该材料在更多领域的应用提供技术支持和理论指导。