3D列印NiTi形狀記憶合金管的扭轉性能研究

鎳鈦合金（NiTi）具有受熱或卸載時出現可逆應變，高功率重量比，良好的功能穩定性，重量輕等特性，被應用於醫療、機械、航空航天等多種工程應用中。基於粉末床雷射熔化工藝（L-PBF）的增材製造技術，不僅可以製造複雜的幾何形狀，而且可以調整3D列印金屬零件的性能，列印工藝參數和掃描策略顯示出對製成零件的微觀結構、性能和尺寸精度的顯著影響。

增材製造過程中的雜質吸收會改變零件的微觀結構和熱機械性能。根據3D科學谷的市場觀察，在一項研究中，託萊多大學等機構的研究團隊通過選區雷射熔化3D列印技術利用富鎳的NiTi粉末材料製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列印鎳鈦合金管的扭轉性能和微觀結構表徵。

來源：Engineering Structures

3D列印NiTi薄壁管的研究

與傳統驅動系統相比，形狀記憶合金主要優點是高工作輸出、無噪音運行、大幅降低執行系統的重量/尺寸以及變形大。正因為這些優勢，形狀記憶合金在旋轉驅動領域得到了應用。三十幾年來，學者們開展了大量關於應用研究。

1984年鎳鈦合金線首次被用於旋轉驅動，相對於其他加載模式，鎳鈦合金線獲得的更高功輸出，推動了對其他扭轉形式（例如鎳鈦合金管、棒）的進一步探索。此後有學者對等原子比NiTi合金棒的力學性能和形狀記憶效應進行了實驗和理論研究，並提出了一種用於主動直升機旋翼葉片的旋轉驅動器。在20多年的時間裡，幾項工作致力於開發形狀記憶合金扭矩管的應用，例如變體機翼和太陽能收集器。1995年，基於NiTi扭矩管的旋轉驅動器被開發出來，用於製造戰鬥機的小規模自適應機翼，早期設計表明，這些管可以以141 Nm的相應扭矩實現4.5°旋轉。

在更新一些的研究中，學者們對高溫形狀記憶合金進行了研究。高溫NiTiHf合金已成為旋轉驅動器的候選材料，與其他高溫形狀記憶合金相比，高溫NiTiHf合金具有高達500°C的高相變溫度（奧氏體終點溫度，Af），並且具有良好的穩定性和低廉的價格。有學者研究了高溫NiTiHf合金扭力管作為旋轉驅動器的發展。總之，這些形狀記憶合金被用於製造改變航空航天業遊戲規則的設備。

以上談到的大部分扭力管/杆是通過擠壓、鍛造等熱加工工藝與管成型工藝製造的。增材製造技術是一種替代性技術，不僅可以製造複雜幾何形狀，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來定製材料屬性。

選區雷射熔化（SLM）是最廣泛使用的形狀記憶合金增材製造方法。有充分的文獻記載，包括雷射功率、掃描速度、掃描間距等工藝參數對3D列印零件的緻密度，轉變溫度、熱機械響應和微觀結構起著重要作用。也有大量文獻記載了SLM 3D列印工藝參數對形狀記憶合金的可列印性、微觀結構、力學響應、晶格結構以及後處理的影響。

迄今為止，關於形狀記憶合金3D列印的研究多為進行壓縮測試，也有少量研究是關於拉伸性能的，但關於增材製造NiTi合金的扭轉性能的研究很少。在3D科學谷本期分享的相關研究中，研究團隊對SLM 3D列印富鎳NiTi合金扭力管的微觀結構和熱力學性能進行了研究。

材料與方法

研究團隊應用的材料為微富鎳的 Ni50.1Ti49.9。該材料是使用電極感應熔融氣體霧化（EIGA）技術製造的，具有非常低的雜質含量，球形形狀範圍為25 µm至75 µm。通過SLM3D印表機製造外徑為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，其中雷射以鋸齒形移動，然後在雷射束旋轉90°後處理下一層。

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

轉變溫度（TT）

3D列印管與粉末的DSC結果如圖2所示。測得的粉末和3D列印管的奧氏體終點溫度分別為92°C和0°C。由於硬體限制，無法捕獲3D列印管的馬氏體轉變終止點。SLM 3D列印工藝的逐層加工和高冷卻速率導致了不均勻的熱歷史，並且由於沉澱、殘餘應力和位錯的存在而導致了不均勻的微觀結構和組成。所有上述因素都會增加相變溫度間隔並導致峰加寬。 圖2.DSC結（a）粉末（b）3D列印管。

來源：Engineering Structures

SLM過程之後，出現了意想不到的轉變，即朝著更低的TT轉移。NiTi的成分可能是影響TT的主要因素之一，當鎳含量降低時，TT轉變為較高的溫度，當鎳含量增加時，TT轉變為較低的溫度。

表1 NiTi粉末和3D列印管的化學成分和雜質含量。來源：Engineering Structures

當涉及增材製造方法時，影響微觀結構和化學成分的工藝參數會顯著改變轉變溫度。SLM方法中主要有兩種可能會改變TT的機制：（i）鎳蒸發（ii）沉澱物形成。

微觀結構

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

如圖3，粉末由DSC結果所預期的在室溫下由單相B19′馬氏體組成，而3D列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結果中觀察到的TT 轉變可歸因於此效應。

圖4.拋光的SLM 3D列印管橫截面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澱物；（c）插圖2：EDS光譜 NiTi主基質的高倍放大圖像，（d）光譜1-3的元素分析。來源：Engineering Structures

圖5（a）經過拋光和蝕刻的SLM3D列印管的光學顯微鏡圖像，可以測量製造零件的實際尺寸並查看其微觀結構。表2列出了用光學顯微鏡測得的6個列印樣件（每種壁厚2個樣件）的實際尺寸，3D列印樣件與設計文件之間的偏差為0.1 毫米。來源：Engineering Structures

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

熱力學表徵

研究團隊使用逐步應變加載曲線評估了純扭轉載荷下預製管的機械性能。在每個步驟中，將管加載到大約0.5％的剪切應變，然後依次進行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曲線以及循環行為。

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

圖6示出了三種不同的管壁厚，純扭轉下的3D列印管的逐步剪切應力-應變響應。

循環性能

圖8.（a）加載場景示意圖，加載樣件T5的循環行為高達（b）175 MPa和（c）200 MPa；（d）在不同上能級應力水平下，樣品T5的回覆率（實線）和殘餘應變（虛線）；樣品T6在（e）175 MPa（e），（f）200 MPa和（g）225 MPa以下加載的循環行為；（h）在不同的上能級應力水平下，樣品T6的回覆率（實線）和殘餘應變（虛線）。

如圖8所示循環測試在室溫下進行，然後加熱至100°C。這些測試主要用於檢查應變行為和隨後的應變恢復。兩個較粗的3D列印管（t = 0.4 毫米和t = 0.45 毫米）已經測試了從零到最大剪切應力的多達10個加卸載循環。

結論

結果表明，即使已對SLM3D列印工藝參數進行了優化，使主體部件沒有重大缺陷，但對於薄壁管材而言，表面粗糙度對於零件質量也很重要。研究團隊具體結論如下：

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

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

3D列印管應變監測顯示，應變本地化以30°的角度開始並繼續傳播直至破裂。

循環性能在第一個循環中顯示出高達1.2％的不可恢復應變，這可能是富鈦氧化物沉澱形成的結果。超彈性行為在4個循環後變得穩定，在10個循環後達到2.3％的穩定轉變應變。

表面粗糙度和表面缺陷是SLM 3D列印NiTi薄壁管的挑戰。使用具有較低掃描速度的輪廓掃描，利用更細的粉末顆粒並在每一層上執行重熔過程可能是提高所製造零件表面質量的方式。此外，熱處理是進一步改善3D列印NiTi合金薄壁管熱機械性能的方法。將3D列印NiTi管與具有相同成分和轉變溫度的傳統方式製造的管進行熱機械性能比較，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.

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