德克萨斯农工大学丨激光粉末床熔合LPBF增材制造新型形状记忆合金，超弹性增加两倍

激光粉末床熔合（Laser powder bed fusion，LPBF）技术是一种增材制造技术，近年来在制造业中颇具潜力，并且在生物医学和航空航天等领域的应用很有吸引力，特别是在制造具有复杂几何形状的镍钛形状记忆合金时。这种技术类似于聚合物3D打印，使用激光一层一层地熔化金属或合金粉末。通过重复这种分层操作，扫描相同或不同的图案，直到形成所需的结构。

激光粉末床熔合技术制造的超弹性形状记忆合金

激光粉末床熔合技术在制造具有复杂几何形状的镍钛形状记忆合金时总是能大展身手，为后者的快速制造或成型提供了一种有效而高效的方法。不过，它却很少表现出使用镍钛形状记忆合金特定应用所需的超弹性(superelasticity)。在3D打印过程中产生的缺陷和施加在材料上的变化，让3D打印镍钛难以拥有超弹性。

日前，德克萨斯农工大学（Texas A&M University，TAMU）的研究人员通过激光粉末床熔合技术制造了一种形状记忆合金。神奇的是，这种合金展示了卓越的拉伸超弹性，几乎是已有文献中报道的3D打印最大超弹性的两倍。

                     

图片来源：TAMU

由于镍钛形状记忆合金能够在加热或去除施加的应力后恢复到原来的形状，因此它能够适用于各种应用，比如用于生物医学和航空航天领域的支架、植入物、外科设备和飞机机翼。

该论文的第一作者Xue博士指出：“形状记忆合金是一种能记忆高温形状的智能材料。尽管这类合金可以以多种方式使用，但将其制造成复杂的形状需要进行微调，以确保材料表现出所需的性能。”激光粉末床熔合技术是一种增材制造技术，它提供了一种有效生产镍钛形状记忆合金的方法，为快速制造或成型提供了途径。这种技术使用激光逐层熔化金属或合金粉末，逐层过程是有益的，因为它可以制造出传统制造中无法实现的复杂几何形状的零件。

遗憾的是，大多数镍钛材料无法承受目前的激光粉末床熔接工艺，这往往会导致打印缺陷，如因热梯度大而产生的气孔、翘曲或分层，以及因氧化而产生的脆性。此外，激光可以改变材料的成分，因为打印过程中会发生蒸发。

为了克服这个问题，研究人员使用了他们在之前的研究中创建的优化框架，该框架可以确定最佳工艺参数，以实现无缺陷结构。研究人员制造的镍钛零件在没有制造后热处理的情况下，在室温下保持了6%的拉伸超弹性。这种超弹性水平几乎是在以往文献中记录的3D打印合金的两倍。

通过3D打印技术生产形状记忆合金的能力以及提升的超弹性，意味着这种材料更有能力处理应用变形。使用3D打印来开发这些优质材料，将减少制造过程的成本和时间。未来，研究人员希望他们的发现将带来镍钛形状记忆合金在生物医学和航空航天应用的更多使用。Xue博士补充称：“如果我们可以调整晶体结构和微观结构，这些形状记忆合金的应用将会多得多。”

这项研究由美国陆军研究实验室、国家优先研究计划拨款、卡塔尔国家研究基金和美国国家科学基金会拨款资助，成果发表在《Acta Materialia》上。     

来源：增材制造硕博联盟