鎳鈦合金（NiTi）具有受熱或卸載時(shí)出現(xiàn)可逆應(yīng)變，高功率重量比，良好的功能穩(wěn)定性，重量輕等特性，被應(yīng)用于醫(yī)療、機(jī)械、航空航天等多種工程應(yīng)用中?；诜勰┐布す馊刍に嚕↙-PBF）的增材制造技術(shù)，不僅可以制造復(fù)雜的幾何形狀，而且可以調(diào)整3D打印金屬零件的性能，打印工藝參數(shù)和掃描策略顯示出對制成零件的微觀結(jié)構(gòu)、性能和尺寸精度的顯著影響。

增材制造過程中的雜質(zhì)吸收會改變零件的微觀結(jié)構(gòu)和熱機(jī)械性能。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在一項(xiàng)研究中，托萊多大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)通過選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)利用富鎳的NiTi粉末材料制造了三種不同厚度的鎳鈦合金管，他們通過這一方式研究3D打印鎳鈦合金管的扭轉(zhuǎn)性能和微觀結(jié)構(gòu)表征。

來源：Engineering Structures

3D打印NiTi薄壁管的研究

與傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)相比，形狀記憶合金主要優(yōu)點(diǎn)是高工作輸出、無噪音運(yùn)行、大幅降低執(zhí)行系統(tǒng)的重量/尺寸以及變形大。正因?yàn)檫@些優(yōu)勢，形狀記憶合金在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動領(lǐng)域得到了應(yīng)用。三十幾年來，學(xué)者們開展了大量關(guān)于應(yīng)用研究。

1984年鎳鈦合金線首次被用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，相對于其他加載模式，鎳鈦合金線獲得的更高功輸出，推動了對其他扭轉(zhuǎn)形式（例如鎳鈦合金管、棒）的進(jìn)一步探索。此后有學(xué)者對等原子比NiTi合金棒的力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并提出了一種用于主動直升機(jī)旋翼葉片的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器。在20多年的時(shí)間里，幾項(xiàng)工作致力于開發(fā)形狀記憶合金扭矩管的應(yīng)用，例如變體機(jī)翼和太陽能收集器。1995年，基于NiTi扭矩管的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器被開發(fā)出來，用于制造戰(zhàn)斗機(jī)的小規(guī)模自適應(yīng)機(jī)翼，早期設(shè)計(jì)表明，這些管可以以141 Nm的相應(yīng)扭矩實(shí)現(xiàn)4.5°旋轉(zhuǎn)。

在更新一些的研究中，學(xué)者們對高溫形狀記憶合金進(jìn)行了研究。高溫NiTiHf合金已成為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的候選材料，與其他高溫形狀記憶合金相比，高溫NiTiHf合金具有高達(dá)500°C的高相變溫度（奧氏體終點(diǎn)溫度，Af），并且具有良好的穩(wěn)定性和低廉的價(jià)格。有學(xué)者研究了高溫NiTiHf合金扭力管作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的發(fā)展?？傊?，這些形狀記憶合金被用于制造改變航空航天業(yè)游戲規(guī)則的設(shè)備。

以上談到的大部分扭力管/桿是通過擠壓、鍛造等熱加工工藝與管成型工藝制造的。增材制造技術(shù)是一種替代性技術(shù)，不僅可以制造復(fù)雜幾何形狀，例如花鍵、六角切口端部連接和嵌入式的冷卻通道，還可以通過更改工藝參數(shù)來定制材料屬性。

選區(qū)激光熔化（SLM）是最廣泛使用的形狀記憶合金增材制造方法。有充分的文獻(xiàn)記載，包括激光功率、掃描速度、掃描間距等工藝參數(shù)對3D打印零件的致密度，轉(zhuǎn)變溫度、熱機(jī)械響應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)起著重要作用。也有大量文獻(xiàn)記載了SLM 3D打印工藝參數(shù)對形狀記憶合金的可打印性、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)響應(yīng)、晶格結(jié)構(gòu)以及后處理的影響。

迄今為止，關(guān)于形狀記憶合金3D打印的研究多為進(jìn)行壓縮測試，也有少量研究是關(guān)于拉伸性能的，但關(guān)于增材制造NiTi合金的扭轉(zhuǎn)性能的研究很少。在3D科學(xué)谷本期分享的相關(guān)研究中，研究團(tuán)隊(duì)對SLM 3D打印富鎳NiTi合金扭力管的微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

材料與方法

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用的材料為微富鎳的 Ni50.1Ti49.9。該材料是使用電極感應(yīng)熔融氣體霧化（EIGA）技術(shù)制造的，具有非常低的雜質(zhì)含量，球形形狀范圍為25 m至75 m。通過SLM3D打印機(jī)制造外徑為5毫米，長度為25毫米，壁厚為三種不同尺寸（0.45毫米，0.5毫米和0.55毫米）的圓柱管。使用無輪廓的雙向掃描策略，其中激光以鋸齒形移動，然后在激光束旋轉(zhuǎn)90°后處理下一層。

圖1. SLM工藝示意圖如圖1（a）所示，3D打印NiTi管如圖1（C）所示。來源：Engineering Structures

轉(zhuǎn)變溫度（TT）

3D打印管與粉末的DSC結(jié)果如圖2所示。測得的粉末和3D打印管的奧氏體終點(diǎn)溫度分別為92°C和0°C。由于硬件限制，無法捕獲3D打印管的馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)。SLM 3D打印工藝的逐層加工和高冷卻速率導(dǎo)致了不均勻的熱歷史，并且由于沉淀、殘余應(yīng)力和位錯(cuò)的存在而導(dǎo)致了不均勻的微觀結(jié)構(gòu)和組成。所有上述因素都會增加相變溫度間隔并導(dǎo)致峰加寬。 圖2.DSC結(jié)（a）粉末（b）3D打印管。

來源：Engineering Structures

SLM過程之后，出現(xiàn)了意想不到的轉(zhuǎn)變，即朝著更低的TT轉(zhuǎn)移。NiTi的成分可能是影響TT的主要因素之一，當(dāng)鎳含量降低時(shí)，TT轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的溫度，當(dāng)鎳含量增加時(shí)，TT轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的溫度。

表1 NiTi粉末和3D打印管的化學(xué)成分和雜質(zhì)含量。來源：Engineering Structures

當(dāng)涉及增材制造方法時(shí)，影響微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的工藝參數(shù)會顯著改變轉(zhuǎn)變溫度。SLM方法中主要有兩種可能會改變TT的機(jī)制：（i）鎳蒸發(fā)（ii）沉淀物形成。

微觀結(jié)構(gòu)

圖3.粉末和SLM 3D打印管的X射線衍射圖。來源：Engineering Structures

如圖3，粉末由DSC結(jié)果所預(yù)期的在室溫下由單相B19′馬氏體組成，而3D打印管包含具有第二相Ti 4 Ni 2 O x 氧化物的奧氏體B2基體。XRD測量可確定粉末和拋光樣件的次級相。正如在轉(zhuǎn)變溫度部分所討論的，富鈦氧化物的形成不僅使鈦中的主基體耗盡，而且通過覆蓋熔池來抑制鎳的損失。因此，在DSC結(jié)果中觀察到的TT 轉(zhuǎn)變可歸因于此效應(yīng)。

圖4.拋光的SLM 3D打印管橫截面SEM圖像（a）用第二相裝飾的NiTi基體；（b）插圖1：沿晶界形成亞微米的富含鈦的沉淀物；（c）插圖2：EDS光譜 NiTi主基質(zhì)的高倍放大圖像，（d）光譜1-3的元素分析。來源：Engineering Structures

圖5（a）經(jīng)過拋光和蝕刻的SLM3D打印管的光學(xué)顯微鏡圖像，可以測量制造零件的實(shí)際尺寸并查看其微觀結(jié)構(gòu)。表2列出了用光學(xué)顯微鏡測得的6個(gè)打印樣件（每種壁厚2個(gè)樣件）的實(shí)際尺寸，3D打印樣件與設(shè)計(jì)文件之間的偏差為0.1 毫米。來源：Engineering Structures

表2 通過光學(xué)顯微鏡測量的SLM3D打印管的實(shí)際尺寸（OD =外徑，t =壁厚）。來源：Engineering Structures

熱力學(xué)表征

研究團(tuán)隊(duì)使用逐步應(yīng)變加載曲線評估了純扭轉(zhuǎn)載荷下預(yù)制管的機(jī)械性能。在每個(gè)步驟中，將管加載到大約0.5％的剪切應(yīng)變，然后依次進(jìn)行0.5％的加載步驟直到失效。使用這種方法，可以捕獲直至斷裂的材料的平穩(wěn)曲線以及循環(huán)行為。

圖6.3D打印樣件的逐步循環(huán)特性（a）樣品T2，（b）樣品T1和T3，（c）樣品T4的逐步循環(huán)行為。來源：Engineering Structures

圖6示出了三種不同的管壁厚，純扭轉(zhuǎn)下的3D打印管的逐步剪切應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。

循環(huán)性能

圖8.（a）加載場景示意圖，加載樣件T5的循環(huán)行為高達(dá)（b）175 MPa和（c）200 MPa；（d）在不同上能級應(yīng)力水平下，樣品T5的回復(fù)率（實(shí)線）和殘余應(yīng)變（虛線）；樣品T6在（e）175 MPa（e），（f）200 MPa和（g）225 MPa以下加載的循環(huán)行為；（h）在不同的上能級應(yīng)力水平下，樣品T6的回復(fù)率（實(shí)線）和殘余應(yīng)變（虛線）。

如圖8所示循環(huán)測試在室溫下進(jìn)行，然后加熱至100°C。這些測試主要用于檢查應(yīng)變行為和隨后的應(yīng)變恢復(fù)。兩個(gè)較粗的3D打印管（t = 0.4 毫米和t = 0.45 毫米）已經(jīng)測試了從零到最大剪切應(yīng)力的多達(dá)10個(gè)加卸載循環(huán)。

結(jié)論

結(jié)果表明，即使已對SLM3D打印工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使主體部件沒有重大缺陷，但對于薄壁管材而言，表面粗糙度對于零件質(zhì)量也很重要。研究團(tuán)隊(duì)具體結(jié)論如下：

掃描策略和高速掃描會影響SLM薄壁管的尺寸。此外，由衛(wèi)星顆粒形成的NiTi SLM管表面上的尖銳凹谷是易引發(fā)微裂紋的位置。

高溫熔化過程中的氧氣吸收會導(dǎo)致在晶界上形成富鈦沉淀，將主基體移至富鎳區(qū)域，從而將相變溫度降低至90°C。

3D打印管應(yīng)變監(jiān)測顯示，應(yīng)變本地化以30°的角度開始并繼續(xù)傳播直至破裂。

循環(huán)性能在第一個(gè)循環(huán)中顯示出高達(dá)1.2％的不可恢復(fù)應(yīng)變，這可能是富鈦氧化物沉淀形成的結(jié)果。超彈性行為在4個(gè)循環(huán)后變得穩(wěn)定，在10個(gè)循環(huán)后達(dá)到2.3％的穩(wěn)定轉(zhuǎn)變應(yīng)變。

表面粗糙度和表面缺陷是SLM 3D打印NiTi薄壁管的挑戰(zhàn)。使用具有較低掃描速度的輪廓掃描，利用更細(xì)的粉末顆粒并在每一層上執(zhí)行重熔過程可能是提高所制造零件表面質(zhì)量的方式。此外，熱處理是進(jìn)一步改善3D打印NiTi合金薄壁管熱機(jī)械性能的方法。將3D打印NiTi管與具有相同成分和轉(zhuǎn)變溫度的傳統(tǒng)方式制造的管進(jìn)行熱機(jī)械性能比較，也將是下一步研究的重要步驟。

參考資料：

Keyvan Safaei et al. Torsional behavior and microstructure characterization of additively manufactured NiTi shape memory alloy tubes.Engineering Structures Volume 226, 1 January 2021, 111383. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111383.