兰理工/北科大：增材制造镍钛合金多尺度强化机制，抗压性能显著提升

近期在模拟失效过程方面的进展表明，在以压缩/剪切为主的载荷作用下，微观孔隙或空洞会依次演变，先被压平形成微裂纹，然后旋转并伸长形成扭结，接着与相邻微裂纹相互作用并合并。如果基体材料具有较高的加工硬化指数，整个过程可以显著减缓。

成果速览
基于上述研究，兰州理工大学赵燕春教授、北京科技大学吴渊教授以及田纳西大学高雁飞教授通过选择性激光熔化（SLM）增材制造技术，成功制备出具有空间分层和时间连续变形机制的NiTi形状记忆合金（SMA），其表现出显著的多尺度强化特性：在百微米尺度上，表现为马氏体相变强化机制；在晶粒尺度层面，表现出高位错密度强化机制；在纳米尺度层面，表现出非晶片层强化机制。

这三种强化机制的渐进转变使材料能够保持较高的加工硬化速率，从而使得所制备的（未经后处理的）形状记忆合金在压缩时具有极高的失效应变。高应变下非晶化的发生归因于高位错密度和氧辅助下的能垒降低。因此，这项工作为高性能形状记忆合金的开发提供了一种前所未有的设计方法。

相关成果以「Sequential hardening mechanisms in additive-manufactured NiTi shape memory alloys that can significantly delay compressive failure」为题刊登在Materials Today上，第一作者：兰州理工大学博士生马虎文，共同通讯：兰州理工大学赵燕春教授、北京科技大学吴渊教授、田纳西大学高雁飞教授。

数据概况

图文摘要

图1. 镍钛形状记忆合金的力学性能和多个阶段。a 使用公式(2)中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型预测临界应变与失效时应力之间的关系。b 压缩断裂过程中裂纹的演变。c 以130瓦功率打印的镍钛形状记忆合金的压缩应力-应变曲线；上方插图展示了三种不同强化机制的示意图，而下方插图显示了B2相/非晶相的原子分布。d 将本研究中开发的合金的压缩力学性能与其他高性能镍钛形状记忆合金进行比较，包括通过选择性激光熔化（SLM）制备的样品、定向能量沉积（DED）制备的样品、电子束熔化（EBM）制备的样品、电弧增材制造（WAAM）制备的样品以及铸造样品。与我们的结果相近的文献数据实际上是沉淀强化的。e 将选择性激光熔化（SLM）状态下的镍钛形状记忆合金的压缩真应力-应变曲线与其他研究中铸造态和选择性激光熔化制备的样品的曲线进行比较。

图2. 具有类谐波晶粒结构的NiTi形状记忆合金样品的表征。a 选择性激光熔化增材制造技术的扫描策略示意图。b 与谐波结构形成相对应的晶粒分布和温度场的示意图。c 不同打印功率下样品的里特维尔德精修X射线衍射图谱。d 说明增材制造功率、扫描速度和粉末层厚度对样品微观结构影响的总结图。e 以130瓦功率打印的样品顶面和侧面的电子背散射衍射（EBSD）图谱、几何必需位错（GND）分布图、极图和反极图。顶面的晶粒呈现谐波结构，而侧面的晶粒显示出 “鱼鳞状” 分层结构。f 细晶粒区域附近的镍钛形状记忆合金的透射电子显微镜（TEM）图像。发现晶粒尺寸约为300nm。选区电子衍射（SAED）分析显示为B2相，能量色散谱（EDS）分析证实无元素偏析，但氧含量约为3 at.%，几何相位分析（GPA）和快速傅里叶变换（FFE）分析表明在制备态条件下存在少量位错。g 以130瓦功率打印的镍钛合金的三维原子探针（3D-APT）重构，重点展示了区域A中镍、钛和氧原子的分布，并相应绘制了氧元素的等值面。

图3. 初期阶段高密度位错强化和相变强化的证据。a 以130瓦和160瓦功率打印的样品的X射线衍射图谱。b 以130瓦功率打印的样品的压缩循环加载曲线。c 130瓦功率打印的样品在压缩前和压缩塑性变形初期的反极图（IPF）和相分布图。d 130瓦功率打印的样品在压缩塑性变形初期的反极图以及相应的几何必需位错（GND）分布图。e B2相和B19ʹ相的透射电子显微镜（TEM）分布图。f 区域A和区域B的快速傅里叶变换（FFT）图像。g 区域A和区域B的原子映射图像。h 对应于图3g的晶格畸变分布图。

图4. 后期变形阶段非晶层的纳米级表征及原子模拟验证。a 纳米级非晶层的透射电子显微镜分布图以及相应的选区电子衍射图谱。b 图4a中区域A的局部放大视图。c 对应于图4a的暗场图像。d 对应于图4a的扫描透射电子显微镜能谱。e 图4b中区域B的高分辨透射电子显微镜图像。f 图4e中区域C和区域D的快速傅里叶变换（FFT）图像。g 区域B的晶格畸变分布图。h 区域C的逆快速傅里叶变换图像，显示出高密度位错。i 通过密度泛函理论（DFT）计算得到的B2相和B19ʹ相的平均原子吉布斯自由能随氧含量变化的演化示意图。j 不同氧含量下B2相和B19ʹ相的径向分布函数图。k 不同氧含量下B2相和B19ʹ相在(110)晶面的差分电荷密度分布图。

图5. NiTi形状记忆合金在压缩试验下的失效情况。a 不同打印功率下压缩断裂后样品的X射线衍射图谱。b 断裂试样的透射电子显微镜图像以及相应的选区电子衍射图谱。c 局部区域的扫描透射电子显微镜能谱分析。d 非晶相和结晶相界面处的几何相位分析（GPA）。e 不同打印功率下压缩失效后样品的断口表面形貌，展示了如图1b所示的图案特征。

结论展望
本研究中，通过选择性激光熔化增材制造（SLM AM）技术成功开发了一种具有空间分层且在时间上连续的变形机制的NiTi形状记忆合金。由选择性激光熔化制备的样品在数十微米尺度上表现出马氏体相变强化，在晶粒尺度上表现出高密度位错（HDI）强化机制，在纳米尺度上则呈现出非晶片层强化。这三种机制依次被激活，从而提供了持续的硬化能力。

在压缩过程中，高密度的位错和相变提供了足够的能量，而氧的存在降低了非晶化的能垒，促进了在宏观低速压缩后期B19ʹ相转变为非晶相。基于公式（2）中的Tvergaard-Nielsen-Gao模型进一步完善的单轴压缩失效模型表明，加工硬化能力与压缩失效的延迟之间存在正相关关系，从而为多尺度顺序强化提供了理论基础。

总之，这项工作不仅为高性能镍钛形状记忆合金的快速制造奠定了坚实的基础，也为将类似的策略应用于其他合金开辟了新的途径。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.04.014