柱状晶粒结构使得通过激光定向能量沉积技术在NiTi合金中实现较大的可回收应变成为可能

《Materials Science and Engineering: A》：Columnar grains enabling large recoverable strains in NiTi alloys via laser-directed energy deposition

激光增材制造（LDED）制备的柱状晶NiTi合金在压缩载荷下表现出7%的优异可恢复应变，其大角度晶界阻碍马氏体相变导致性能劣化。工艺参数调控热梯度实现柱状晶定向生长，为功能稳定性与可恢复应变协同优化提供新路径。

　　

Jiaqi Lu|Muhammad Aziz|Hao Li|Chi Zhang|Zhifeng Huang|Fei Chen

中国湖北省武汉市武汉工业大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室，430070

摘要

越来越多的研究集中在获得具有较大可恢复应变的NiTi合金上，这些合金在能量吸收、生物骨支撑等领域发挥着重要作用。本研究系统地探讨了激光定向能量沉积（LDED）处理的NiTi合金的微观结构-性能关系。具有柱状晶粒主导微观结构的合金在压缩载荷下表现出7%的优异可恢复应变。这些柱状晶粒似乎为应力诱导的马氏体转变（SIMT）提供了更有利的微观环境。相比之下，近等轴晶粒主导的NiTi合金（长宽比<0.5）表现出较差的超弹性性能，这可能是由于大量的高角度晶界阻碍了马氏体转变。结果表明，晶粒形态和晶界特性在调控可逆相变行为中起着决定性作用。这项工作为增材制造的NiTi形状记忆合金的微观结构工程策略提供了新的见解。

引言

与不锈钢等传统金属相比，NiTi形状记忆合金（SMAs）在需要大可恢复应变和高能量吸收的应用中是不可替代的，包括飞机起落架中的承重和减震部件以及人工骨支撑[1,2]。具体来说，NiTi合金的超弹性使其能够从大的应变中恢复，这种超弹性来源于B2奥氏体和B19′马氏体之间的无扩散相变[2]。在等温或绝热条件下，机械载荷会触发应力诱导的马氏体转变（SIMT），而卸载时则会发生逆转变，产生可恢复应变和热效应。

近年来，人们越来越关注NiTi SMAs的出色功能性能，特别是追求更大的恢复应变[3]和更高的超弹性测试恢复率[4]。这主要是为了提高马氏体转变的可逆性。调节晶粒结构是提高其可逆性的主要方法，许多研究通过引入适当的柱状晶粒来增加逆马氏体转变的空间。例如，含有粗大柱状晶粒的Ni_50.8Ti_49.2（原子百分比）合金在压缩测试中表现出5.86%的应变[5]。通过激光粉末床熔融（LPBF）制造的具有类似单晶（100）柱状结构的NiTi组件在拉伸测试中表现出6%的可恢复应变，在压缩测试中表现出5.77%的应变[6,7]。此外，具有鱼鳞状微观结构的NiTi合金，由微米级的柱状晶粒和亚微米级的等轴晶粒组成，这些晶粒主要沿着<111>和<110>方向排列，与构建和加载方向平行，可实现最大5%–6%的可恢复拉伸应变[8]。超弹性NiTi合金的非弹性变形涉及位错滑移和SIMT之间的竞争。通常，粗大的柱状晶粒能够更好地容纳新生成的位错，从而增强可恢复应变能力[5]。

提高功能稳定性是另一个关键方面，这也是实际应用的关键因素[9]。滞后现象代表了每个热机械循环中以热损失形式散发的能量，最终会导致功能疲劳和失效[10,11]。传统的铸造NiTi合金由于晶粒粗大，容易出现快速的功能退化，表现为显著的残余应变积累和滞后能量的显著降低[12]。为了解决这个问题，通过严重的塑性变形后进行时效和再结晶的策略诱导出了纳米晶体，实现了稳定的低滞后能量，为1 MJ/m³[13]。然而，逆马氏体转变本质上受到晶粒尺寸效应的限制，表现为4.3%的可恢复应变。

幸运的是，作为一种增材制造（AM）技术，激光定向能量沉积（LDED）技术自然会在NiTi SMAs的熔池内产生异质微观结构[14,15]。独特的热梯度导致LDED过程中熔池中心形成柱状晶粒，熔池边缘形成蜂窝状晶粒[14,16]。这种微观结构的多样性为克服功能稳定性和可恢复应变之间的权衡提供了新的机会。先前的研究表明，激光功率（P）显著影响热力学条件[17,18]，包括过冷现象，从而控制NiTi合金的晶粒形态和织构演变。

此外，通过使用LDED对元素粉末进行局部熔化和近共晶混合，开发出了由富Ni金属间化合物嵌入二元合金基体中的纳米复合微观结构，以提高功能稳定性[12,13]。这种微观结构表现出近乎线性的应力-应变行为，滞后低，材料效率提高了四到七倍，并且在超过一百万个循环中保持了高度可重复的弹热性能[12]。有报道称，通过热处理引入粗化的Ti₄Ni₂O_x沉淀物，可以使AM制造的NiTi合金在317个循环后仍保持80%的超弹性恢复率（预应变为5%）[4]。其他研究表明，NiTi₂沉淀物的粗化和球形化可以有效提高功能稳定性[19,20]。尽管如此，进一步精确调整NiTi SMAs的微观结构仍然是值得努力的方向。

在这项工作中，我们报道了一种通过LDED制造的NiTi合金，该合金表现出优异的压缩超弹性，压缩可恢复应变高达7.0%，拉伸可恢复应变高达5.9%。在1300 MPa的高应力下，材料在50个加载-卸载循环后仍保持6.1%的稳定压缩可恢复应变和0.94 MJ/m³

部分摘录

材料制备

使用商用LDED机器（LENS-150）制造了块状NiTi SMAs（20 × 20 × 10 mm³），该机器配备了两个含有Ni₅₀和Ti₅₀粉末的粉末进料器，通过同轴喷嘴系统将粉末送入熔池，并由聚焦激光束熔化并沉积在Ti基底上。在制造过程中，氧含量保持在100 ppm以下，旋转角度φ设置为90°，如图1(a)所示。激光功率（P）在330至380 W之间，缝隙间距（h）为

NiTi SMAs的熔池形态

图3（a）展示了不同熔池下的模拟温度场。更深更宽的熔池使固液界面更接近低温基底，从而增强了沿构建方向的热梯度。在代表性界面位置（T_{1, T2 和 T3）提取的温度-时间曲线显示，更深更宽的熔池具有更高的峰值温度。此外，热梯度的增强也}

SIMT过程中晶粒形态和晶界的作用

分子动力学（MD）和蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟用于提供不同热梯度条件下熔池内晶粒竞争的机制洞察，为制备柱状晶粒提供了理论基础。如图4所示，在S_L-grain样品中观察到了大量粗大的柱状晶粒。使用Channel 5分析软件对这一区域所有晶粒的长宽比进行了分析和统计评估，结果如图10(a)和(b)所示。

结论

总结来说，本研究展示了两种类型的LDED-NiTi合金，它们具有两种代表性的晶粒微观结构：柱状晶粒主导的微观结构和近等轴晶粒主导的微观结构，并比较了这两种合金的超弹性。研究表明，通过LDED进行微观结构控制可以有效实现高可恢复应变和稳定的功能性能，为设计提供了有前景的途径

CRediT作者贡献声明

Jiaqi Lu：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念化。Muhammad Aziz：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。Hao Li：方法论，正式分析。Chi Zhang：研究，数据管理。Zhifeng Huang：方法论，研究。Fei Chen：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

我们声明与可能不当影响我们工作的其他个人和组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响手稿中表达的观点。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2025YFF0520200）、中国载人航天工程空间利用系统（KJZ-YY-WCL03, KJZ-YY-NCL406, KJZ-YY-NJS0601）、湖北国际科技合作计划（2025EHA049）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）、湖北龙钟实验室的自主创新项目（2024 KF-16）以及国家自然科学基金的支持