激光粉末床熔融双区NiTi合金的应变分配与协调变形

《Journal of Materials Research and Technology》：Strain Partitioning and Coordinated Deformation in Dual-Region NiTi Alloys Fabricated by Laser Powder Bed Fusion

　　

激光粉末床熔融（LPBF）参数的空间控制为NiTi合金的区域性能变化提供了一条途径，但相关的应变分配仍未被充分理解。通过改变扫描速度制备了三种均匀条件和三种双区组合，并在室温单调拉伸过程中采用数字图像相关（DIC）技术考察了区域变形。随着扫描速度的增加，Ni损失和相变温度降低，而伪屈服应力呈非单调变化，均匀试样间的最大差异为64 MPa，双区试样间为54 MPa。早期区域间应变差异达到约四个百分点。观察到两种应变分配历史：持续的应变分离，以及先分离后部分收敛再重新分离。一个基于均匀试样响应和区域应变差异标定的双成员三线性串联模型再现了主要趋势，但在转折点位置和后期应变累积方面仍存在差异。在该模型内，三种特征应力排序允许十三种斜率符号序列，归为六种区域间应变差异演化模式。伪屈服应力决定了优先变形的开始，而激活的平台和硬化柔度控制随后的应变增量。特征应变差端点区分了部分收敛与同步或应变引导区域的交换。这些关系为准静态单调加载下阶梯式NiTi架构中区域拉伸响应和变形序列的选择提供了初步判据。

激光粉末床熔融（LPBF）双区NiTi合金的应变分配与协调变形：实验表征与三线性串联模型解析

一、研究背景与问题

NiTi形状记忆合金兼具形状记忆效应、超弹性、高强度和高延展性，在吸能减振及负泊松比结构等方面具有广泛应用。近年来，将位置特定功能集成于单一构件中的多功能或功能梯度NiTi合金受到越来越多的关注，其功能响应与应力诱发马氏体相变（SIMT）及相应的变形行为密切相关。传统工艺如激光表面退火、表面Ni扩散、电沉积Ni涂层及局部激光加热虽可调控相变温度并产生阶梯状相变平台或复杂恢复变形，但处理深度和空间范围限制了其在几何复杂结构中的应用。激光粉末床熔融（LPBF）既能克服传统加工NiTi合金的困难，又能通过工艺参数编程实现区域性能定制。已有研究表明，改变扫描速度可调控Ni损失进而改变相变温度，交替采用多组参数可产生层状或三维梯度组织。然而，单纯观察到非均匀变形并不能确定区域应变对比何时增长或减小，也无法判断应变领先区域是否发生交换。将应变演化轨迹与区域相变应力的排序及激活本构响应相关联，能为区域性能组合的选择提供更清晰的基础。为此，研究人员以同一批粉末、仅改变扫描速度制备了三种均匀NiTi条件和三种双区组合，采用数字图像相关（DIC）追踪单调拉伸过程中的区域应变及其差异演化，并结合三线性串联模型进行解析分类，旨在建立选择区域拉伸响应与变形序列的初步判据。

二、研究开展与主要结论

研究人员利用BLT-S210系统进行LPBF成形，固定激光功率、扫描间距和层厚分别为50 W、100 μm和30 μm，扫描速度设为120、200、280 mm/s，制备了均匀试样V120、V200、V280以及双区组合V120/200、V120/280、V200/280。拉伸轴线平行于建筑方向（BD）并垂直于区域界面。室温单调拉伸试验结合DIC测量揭示了三种双区试样的区域变形演化。结果表明，伪屈服应力随扫描速度非单调变化，均匀试样间最大差异为64 MPa，双区试样间为54 MPa。双区试样的整体伪屈服应力主要由伪屈服应力较低的区域控制。DIC显示，V120/200和V120/280的应变差持续增大，而V200/280呈现先分离、部分收敛再重新分离的完整历史。研究人员提出了双成员三线性串联模型，基于均匀试样响应和区域应变差标定模型参数，模型能够再现主要应变分配趋势，但对转折点位置和后期应变累积的预测存在偏差。通过分析特征应力排序，模型允许十三种斜率符号序列，归为六种区域间应变差演化模式，其中V120/200和V120/280对应单调增加模式，V200/280对应单最小值模式。这些结论为阶梯式双区NiTi架构在准静态单调加载下的区域响应选择提供了理论依据。

三、关键技术方法

研究采用的主要技术方法包括：LPBF工艺参数分区控制（通过切换扫描速度制备均匀与双区试样）；电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）表征相组成与界面组织；差示扫描量热法（DSC）测量相变温度；数字图像相关（DIC）全场应变测量；以及三线性串联本构模型解析。样本队列来源为同一批气雾化NiTi粉末，Ni含量56.02 wt.%，粒径15–53 μm。DIC系统为XTDIC-CONST-SD 5M型双目立体相机，应变测量精度20 με。模型将双区试样简化为两个串联的一维等截面构件，利用区域平均工程应变和轴向力平衡求解区域应变分配。

四、研究结果分述

1. 成分、相变温度与相组成：随扫描速度增加，Ni损失减少，相变温度单调降低，V120在室温以B19′马氏体为主，V200和V280以B2奥氏体为主。

2. 微观组织：均匀试样相对密度均超过99%，无缺乏熔合缺陷和裂纹；双区界面连续，母相晶粒跨界面外延生长，两侧差异主要为相组成。

3. 拉伸性能：均匀试样伪屈服应力非单调变化，V200最低，V120和V280较高；双区试样强度与延伸率介于其组成区域之间，整体伪屈服应力受较低伪屈服应力区域主导。

4. 双区试样变形：DIC显示V120/200中V200先变形，应变差增至约4%后V120开始变形，随后差值继续增至约10%；V120/280中两区域同时变形但V120滞后，差值持续增大至约6%；V200/280中V200先变形，V280随后快速变形使差值减小至约2%，后期缓慢增至约5%。

5. 伪屈服应力差异来源：扫描速度依赖的Ni损失、相组成、胞状亚结构及残余应力共同影响伪屈服应力，但现有测量无法单独量化各因素的贡献。

6. 区域应变分配解析：通过区域应变率曲线识别三个变形阶段；阶段I中低伪屈服应力区域优先变形，阶段II中后变形区域应变率骤增，阶段III硬化率差异主导后期应变分配。

7. 三线性串联模型：模型再现了V120/200和V120/280的持续分离趋势及V200/280的先增后减再增轨迹；应变差均方根误差分别为0.727、0.502和0.429个百分点；但在转折点位置和后期应变增长上存在偏差。

8. 应变差演化分类：基于特征应力排序，模型推导出三种应力顺序、十三种斜率符号序列、六种演化模式（单调增、单调减、单最小值、单最大值、最大-最小、最小-最大）；V120/200和V120/280为模式A，V200/280为模式C。

五、讨论与结论

讨论部分指出，区域响应选择应区分优先变形开始与累积应变差演化：伪屈服应力决定初始优先变形，平台和硬化柔度控制后续差值增减。当区域1先进入硬化、区域2仍处于平台时，应变差趋于减小；两区域均进入硬化后，柔度较大的区域重新加速应变累积，可形成部分收敛后再分离的轨迹。V200/280的定量分析表明，其平台结束应力与另一区域伪屈服应力仅差2 MPa，因此参数舍入或试样波动可能改变名义顺序，实际筛选应使用实测参数范围和应力裕度。模型局限在于未考虑相变带传播、界面约束、潜热和卸载恢复等物理过程，其结论仅适用于准静态单调拉伸和明显颈缩前的变形阶段。

研究结论翻译如下：（1）伪屈服应力随扫描速度非单调变化，V120、V200、V280分别为166±8.8、115±2.2、179±8.0 MPa，均匀试样间最大差异64 MPa，双区试样间54 MPa。（2）DIC揭示了两种区域间应变差加载历史：V120/200和V200/280早期差值约4个百分点，V120/200和V120/280持续增大，V200/280呈现先分离、部分收敛和重新分离。（3）标定的三线性串联模型用一个参数组再现了各组合的主要分配趋势，应变差均方根误差分别为0.727、0.502和0.429个百分点，转折点位置和后期应变累积仍存在偏差。（4）三线性理想化中，三种特征应力排序允许十三种非退化斜率符号序列，归为六种演化模式；V120/200和V120/280对应单调增加，V200/280对应分类区间内的单最小值，其余模式为需实验验证的理论可能性。