激光选区熔化NiTi合金的织构演化与多机制强化机理研究

本研究针对SLM制备NiTi合金存在的微观结构不均匀性、缺陷（裂纹/气孔）及力学性能不稳定等问题，通过热-流耦合模拟与实验相结合，系统阐明了激光功率和扫描速度对熔池行为、致密化、晶粒取向和断裂机制的影响规律。在最优参数（130 W, 1000 mm/s）下获得抗拉强度549 MPa、延伸率6.39%，揭示了高致密度、强织构与多机制强化（位错、析出、织构）的协同作用机制，为航空航天、生物医学等领域高性能NiTi部件的增材制造提供了理论指导与实践依据。

　　

镍钛（NiTi）形状记忆合金因其独特的形状记忆效应（SME）、超弹性（SE）、大可恢复应变、高功密度和优异的生物相容性，在生物医学植入物、血管支架、航空航天执行器和软体机器人等领域具有广泛应用前景。然而，传统加工方法如铸造和粉末冶金存在镍蒸发、氧污染、成分敏感性等问题，难以制备复杂几何形状且微观结构可控的部件。随着增材制造（AM）技术的快速发展，选择性激光熔化（SLM）为复杂NiTi部件的制备提供了新途径，但其快速凝固特性易引入裂纹、气孔和元素偏析等缺陷，影响力学和功能性能。

为系统研究SLM制备NiTi合金的微观结构演化与性能调控机制，华南师范大学的光电科学与工程学院广东省纳米光子功能材料与器件重点实验室的Yi Ba、Jiaxing Guo、Miaoning Yan、Liang Guo和Qingmao Z. hang团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了题为“Investigation of Texture Evolution and Multi-Mechanism Strengthening in NiTi Alloy Produced via Selective Laser Melting”的研究论文。该研究通过集成实验分析、热-流耦合模拟和理论建模，系统探讨了激光功率（100–140 W）和扫描速度（900–1100 mm/s）对SLM制备NiTi合金致密化行为和微观结构演化的影响，揭示了熔池内马兰戈尼对流演化、孔隙率与工艺参数的关联，以及多机制强化对力学性能的贡献。

研究采用预合金化NiTi粉末（55.78 at.% Ni），通过Riton D150 SLM系统制备立方体和拉伸试样，固定舱间距90 μm和层厚30 μm，在惰性氩气保护下进行打印。关键实验技术包括：Archimedes法测密度、室温单轴拉伸测试、扫描电子显微镜（SEM）观察断口、维氏显微硬度测量、X射线衍射（XRD）相分析、电子背散射衍射（EBSD）分析晶界和织构、透射电子显微镜（TEM）观察位错和析出相，以及热-流耦合模拟熔池行为。

3.1. 密度

研究通过密度测量和金相观察发现，样品密度随激光能量密度呈“升高-峰值-降低”趋势。在扫描速度固定时，密度随激光功率增加而提高，但过高功率（如140 W）会导致密度下降。最优参数（130 W, 1000 mm/s）下密度达99.75%，而低功率（100 W）或高功率（140 W）下密度降至98.2–98.4%。模拟显示，适度能量密度（49 ± 5 J/mm³）促进熔池稳定、减少缺陷，而过高能量引发Ni蒸发和熔池扰动，增加气孔。

3.2. 热-流耦合模拟

模拟采用高斯热源和守恒方程（质量、动量、能量），预测熔池形态和温度分布。在900 mm/s–120 W、1000 mm/s–130 W和1100 mm/s–120 W参数下，熔池呈稳定椭圆形，温度均匀，对应实验测得高密度。低功率时熔池小、热导差，导致未熔颗粒和融合缺陷；高功率时蒸发和溅射造成孔隙。模拟与实验一致，确认45–50 J/mm³为最优能量密度窗口。

3.3. 拉伸强度

拉伸测试显示，抗拉强度随能量密度非线性变化。最优参数（130 W, 1000 mm/s）下强度达549 MPa，延伸率6.39%，弹性模量21.04 GPa。低功率（100 W）时强度仅407 MPa，高功率（140 W）时降至347 MPa。断口SEM显示，低功率存在未熔颗粒和脆性断裂特征，最优参数下断口更均匀、缺陷减少。元素分布均匀，无显著偏析。与常规方法相比，SLM制备NiTi强度适中但平衡了强度与塑性。

3.4. 显微硬度

显微硬度分布反映微观结构均匀性。最优参数（1000 mm/s–130 W）下硬度值312–316 HV，分布均匀；低功率（900 mm/s–100 W）时硬度293–308 HV，波动大；高扫描速度（1100 mm/s）时硬度降至291 HV，出现低硬度区。硬度均匀性与致密度和缺陷分布直接相关，支持力学性能趋势。

3.5. XRD

XRD显示所有样品在X–Y和X–Z方向均呈现B2奥氏体相，主要衍射峰为(110)、(200)、(211)。(110)峰强度最高，表明强<110>织构。高扫描速度（1100 mm/s）时X–Z方向(110)峰强度增加，织构更明显。晶格常数计算显示轻微偏差，归因于残余应力和成分波动。最优参数下织构强度适中，有利于性能平衡。

3.6. EBSD晶粒尺寸分析

EBSD显示，随激光功率增加，晶粒从等轴晶向柱状晶演变，高角晶界（HAGB）分数增加。最优参数（1000 mm/s–130 W）下HAGB分数41.7%（X–Y）和41.4%（X–Z），平均晶粒尺寸19.03 μm（X–Y）和27.44 μm（X–Z）。高功率（140 W）时HAGB分数升至44.3%，但KAM值增加，残留应力升高。织构分析表明，最优参数下织构强度35.680（X–Y），促进超弹性和形状记忆效应。

3.7. 晶粒形态

TEM观察显示高密度位错（~10¹² m^-2）和均匀分散的NiTi₂析出相（半径~50 nm，间距~10 nm）。析出相通过Orowan机制贡献强化，位错通过Taylor机制增强强度。这些微观特征与织构协同作用，提供多机制强化。

4.1. 激光熔池温度控制与元素蒸发机制分析

模拟和实验表明，熔池中心温度1800–2000 K，过高功率（如1100 W）时Ni蒸发（蒸发率随温度指数增加），导致成分偏离和孔隙形成。蒸发速率用Hertz-Knudsen方程描述，Ni蒸发压力高于Ti，引起Ni耗竭和Ti富集，促进NiTi₂析出。适度能量密度抑制蒸发，保证熔池稳定和成分均匀。

4.2. 织构、位错和析出对力学性能的影响

强度由晶粒细化（Hall-Petch贡献~300 MPa）、位错强化（Taylor模型贡献~56.4 MPa）、析出硬化（Orowan模型贡献~45.5 MPa）和织构强化（估计20–50 MPa）共同贡献。尽管晶粒尺寸差异小（19.0–27.4 μm），但多机制协同使最优参数下强度最高。织构分析表明，<110>织构降低Schmid因子，提高屈服强度。

研究结论表明，SLM制备NiTi合金的最优工艺窗口为激光功率130 W、扫描速度1000 mm/s（能量密度46.44 J/mm³），在此参数下获得高致密度（99.75%）、抗拉强度549 MPa、延伸率6.39%，以及均匀的微观结构（晶粒尺寸~20 μm，HAGB分数~41.5%）。多机制强化（位错、析出、织构）的协同作用是实现高强度和高塑性平衡的关键。该研究为SLM制备高性能NiTi部件提供了理论指导和工艺优化策略，在航空航天、生物医学和机器人领域具有应用潜力。