兰州理工 l 非晶-层状和核壳双重结构协同强化增材制造镍钛形状记忆合金

| 3DScienceValley · 2025/10/14

谷专栏

镍钛形状记忆合金（SMAs）因其卓越的超弹性与形状记忆效应，在海洋工程、交通运输、航空航天等领域被广泛用作先进结构-功能一体化材料。这些独特性能源于热或机械激励引发的可逆马氏体相变。然而，镍钛形状记忆合金存在显著加工难点：低热导率、明显加工硬化及强烈回弹效应，制约了通过传统方法制备高精度零部件的能力。

为应对这些挑战，金属构件增材制造技术凭借其在复杂几何结构方面无可比拟的设计自由度受到广泛关注。镍钛形状记忆合金亦不例外。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12598-025-03556-9

非晶-层状和核壳双重结构协同强化增材制造镍钛形状记忆合金
马虎文，赵燕春，苏玉，罗俊辉，相甲铖，郑腾飞，柴韶瑜，冯力，Peter K.Liaw，吴渊
兰州理工大学，材料科学与工程学院
北京科技大学，国家先进金属材料重点实验室
温州泵阀工程研究院
西安电子科技大学，先进材料与纳米技术学院
田纳西大学，材料系

最近，兰州理工大学材料科学与工程学院的赵燕春教授课题组在Rare Metals 期刊发表了“Synergistic strengthening of additively manufactured NiTi shape memory alloys via amorphous/lamellar and core/shell dual structures“ 一文。本期谷·专栏将进行简要分享。

【文章亮点】

1.通过SLM制备的NiTi SMA在微柱压缩测试中展现出显著性能：抗压强度超过5 GPa，经过宏观压缩至16%后卸载，纳米尺度上形成了交替的非晶态/B2相层状结构与非晶态壳层/B2核心结构。

2.在分子动力学模拟中，随着核壳模型中晶核尺寸的增大，合金强度呈现下降趋势。

3.研究发现，相较于核壳模型，层状模型具有更低的高剪切应变概率，并观察到较高的位错密度更有利于激活多个剪切带。

4.与二维分子动力学和有限元模拟相比，在三维应力条件下，相变对剪切带传播的影响较小。

内容简介

研究聚焦于选择性激光熔化（SLM）制备的NiTi形状记忆合金，通过宏观和微观压缩测试揭示其卓越性能：宏观压缩强度超3.2 GPa、塑性变形超40%，微柱压缩强度超5 GPa且无局部破坏。在预压缩至16%应变后卸载的样品中，观察到非晶化形成交替的非晶/B2相层状结构及非晶壳/B2核芯结构。分子动力学模拟建立理想层状和核芯-壳模型，发现核芯-壳模型中强度随B2相厚度减小而提升，层状模型则强度先增后减，两者均突破8 GPa极限。强化机制归因于相变诱发强化、位错增殖及非晶相渗流效应：剪切应变量化分析表明较大晶相尺寸降低应变水平，促进多剪切带协同激活；TEM及逆FFT分析证实非晶剪切带周围存在高密度位错。该工作为设计高性能非晶/晶相复合材料提供了原子尺度指导。

图文解析

图1 3D打印NiTi形状记忆合金的结构表征与宏观微观力学性能测试：(A) 3D打印工艺示意图；(B) 打印样品的X射线衍射图谱；(C) SMA在XOY平面的EBSD测试结果；(D) SMA在YOZ平面的EBSD测试结果；(E) SMA的EDS能谱；(F) 沿Y轴方向（杆状试样轴线与Y轴对齐）切割的棒状试样测定的宏观压缩应力-应变曲线。(G) 微柱压缩应力-应变曲线及断裂前后微柱形貌变化。

结果表明，直接打印的NiTi相SMA材料以B2相结构为主，且（100）取向明显，与XRD结果一致。可以观察到试样侧面形成了人字形晶粒结构。同时，人字形晶粒结构中粗晶与细晶界面处还聚集了几何必需的位错，导致背应力和前应力的产生，从而实现HDI强化和硬化效应。

图2 预压缩SMA样品（压缩应变16%)的结构表征：(A)非晶纳米片分布；(B) 对应A的SAED衍射图谱；(C) 预压缩样品中含球状晶体相的非晶区域的TEM图像、FFT图谱及GPA图谱；(D) 非晶/晶层状区域的TEM图像、FFT图谱及GPA图谱；(E) 非晶/晶层状区域的STEM能量色散光谱（EDS）图谱；(F) 打印成型SMA的三维原子探针结构显示合金中存在少量氧原子。

结果表明，在完成16%的预压缩和卸载后，透射电镜分析揭示出两种独特的纳米级微观结构一种是无定形壳层-B2相核结构；另一种则是由无定形相与B2相交替排列形成的层状结构。通过层状结构的高分辨率透射电镜图像可发现区域C和D的原子构型与核壳模型相似。结果可观察到两组分别对应B2相和B19‘相的衍射斑点，证实了这两种相态的共存。在本研究中，B2相与B19’相之间发生了连续相变，随后转变为非晶相，而B19‘相在相变过程中难以被观测到。根据图谱，可以将这两个结构识别为B2相和B19’相。

图3 核壳结构与片状结构模型的分子动力学压缩模拟: (A) 球形B2相核壳模型；(B) 非晶态片状模型；(C)晶体-非晶态纳米结构放大视图；(D)模型的部分径向分布函数（PRDF）；(E) 不同B2相颗粒直径核壳模型的压缩应力-应变曲线；(F) 对应E压缩过程中B19‘相体积分数的变化趋势；(G) 对应E压缩过程中位错密度的变化趋势；(H) 非晶态片状模型的压缩应力-应变曲线；(I) 对应H B19’相体积分数的变化趋势；(J) 对应H位错密度的变化趋势。

结果表明，不同模型下合金微观结构与性能关系，RDF次近邻峰分裂是非晶相标志。核壳模型中6纳米B2颗粒强度近12GPa，较大晶体相降低杨氏模量有生物医学潜力；B2颗粒增加促进马氏体形成与位错密度提升，利于剪切带形成和塑性提升。层状模型强度随层厚减小先增后降，片层非晶模型激活更多剪切带。

图4 核壳结构与片状结构模型在压缩过程中的相结构演变及剪切应变分布：(A) 核壳模型的晶体部分在宏观应变10%时的状态；(B) 对应A的位错分布模型；(C) 纳米片模型的晶体部分在宏观应变10%时的状态；(D) 对应C的位错分布；(E) 核壳模型在加载和卸载过程中的相结构演变；(F) 纳米片模型在压缩过程中的相结构演变；(G) 核壳模型在加载过程中相结构演变及对应的剪切应变分布；(H) 纳米片模型在加载过程中相结构演变及对应的剪切应变分布。

结果表明，球形模型10%应变时马氏体相有少量孪晶界，伴随大量位错，位错从非晶-晶界萌生向晶体内部迁移形成孪晶界，层状模型有类似现象。循环加载中B2-B19‘-B2相变，加载时马氏体相从晶体内部萌生扩展至完全转变，卸载时B2相从边缘萌生向内部生长，核心残留少量B19’相。应变增加时，球形模型加载初期STZ在晶体颗粒周围激活，随应变增加连成线状形成剪切带且数量减少；层状模型有多个STZ成核位点，应变增加形成多条剪切带，剪切应变水平低。

图5 剪切带与位错演化分子动力学模拟结果对比实验观测：(A) 外壳层模型与层状模型在宏观应变10%时的剪切应变概率分布；(B) L=3.66纳米层状模型在不同宏观应变水平下的剪切应变分布；(C) 不同晶核尺寸模型的剪切应变与位错分布；(D) 不同层状厚度模型的剪切应变与位错分布；(E) 图2C和D中A、C区域对应的逆快速傅里叶变换图像以观察位错分布；(F) 预压缩层状区域非晶/晶界处TEM、GPA、位错及剪切带相互作用示意图。

结果表明，剪切带演化对非晶合金塑性变形至关重要，分析重点为其与位错的相互作用。10%压缩应变下，核壳模型中小D值使高剪切应变概率增加，层状模型层厚减小对高剪切应变概率先增后减，层状模型阻碍剪切带扩展更强。层状模型中高剪切应变先出现在晶体相，B2相转变成B19‘相后，界面机械失配引发STZ晶核形成并促进剪切带扩展。10%应变时晶相中有高密度位错形成位错壁和晶胞结构，增强加工硬化能力，位错能激活并促进非晶相STZ形变，较大晶体相尺寸使位错密度更高，剪切带分布更分散。HRTEM成像显示晶体界面有大量位错，相邻非晶相有剪切应变，位错可阻碍剪切带扩展。

图6 (A) 核壳模型与多层模型中变形机理及强化效应示意图；(B) 载荷传递机制示意图；(C) D=7.2 nm核壳模型各相Mises应力随宏观应变的演化过程；(D) 不同厚度层状模型中B2和B19‘相Mises应力的演化过程。

结果表明，非晶态壳-晶核复合材料中较厚非晶壳层增强强度，层状模型中较大晶相产生位错壁阻碍剪切带扩展，较小晶相则不能。三维应力下相变强化对剪切带演化影响小，因结晶相体积占比低于30%。变形初期B2相和非晶相承载，应变2%时B2相开始转变为B19‘相，5%时非晶相形成剪切带，载荷转移至B19‘相，引入TRIP相可抑制初级剪切带形成，层状模型载荷转移行为与核壳模型相似，相变受应变控制。

全文小结

1. 实验与模拟结合优化增材制造合金结构及力学性能；
2. 复合模型强度受尺寸及强化机制影响；
3. 层状模型剪切带激活与塑性变形能力更优；
4. 三维应力条件下相变对剪切带传播影响较小。

论文引用

Ma, HW., Zhao, YC., Su, Y.et al. Synergistic strengthening of additively manufactured NiTi shape memory alloys via amorphous/lamellar and core/shell dual structures. Rare Met. (2025).

论文引用

Han Zhang, Boyu Nie, Weijian Qian, Zhe Song, Yao Xiao, Bingqing Chen, Zijun Zhao, Nan Li, Changkui Liu, Chengli Dong, Shengchuan Wu*, High-temperature strengthening mechanisms of optimized L-PBF IN718 superalloys with interpretable machine learning, Additive Manufacturing, 2025, 110: 104958.

研究团队概况

赵燕春，女，兰州理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，甘肃省领军人才，甘肃省杰出青年基金获得者，美国田纳西大学访问学者。从事亚稳态金属材料、异质金属材料功能结构一体化调控及增材制造、相变及变形机制的有限元模拟等科学研究工作。在Materials Today、Rare Metals、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等共发表论文120余篇相关成果以第一完成人获甘肃省科技进步二等奖和甘肃省自然科学三等奖、甘肃省高等学校科研优秀成果奖一等奖等。

冯力，男，兰州理工大学材料科学与工程学院副院长，教授，博士生导师，甘肃省拔尖领军人才，从事凝固微观组织的相场法模拟研究、高熵合金涂层、冷喷涂增材制造技术、金属陶瓷复合涂层的制备与研究等。主持国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项、国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金、甘肃省重点研发计划等。主持多项企业科技攻关项目，为核电秦山联营有限公司，酒泉钢铁集团、东风汽车零部件集团和兰石铸钢有限公司等企业解决工程技术难题。

吴渊，男，北京科技大学研究员，博士生导师，北京科技大学新金属材料国家重点实验室副主任，国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者，美国橡树林国家实验室（2013）、德国马普所访问学者（2019）。主要从事非晶合金、高熵合金等先进金属材料的纳米析出与相变韧塑化及其原子级精细结构表征等相关研究。在Nature, Nature Communications, Advanced Materials等学术期刊上发表论文200余篇，SCI他引9000余次，授权专利30余项。研究成果被Science，Nature出版集团评述，并评为研究热点。