NiTi LPBF工艺从“无缺陷”到“控性能”：中南大学最新研究给出双判据框架

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在航空航天、生物医疗等领域，形状记忆合金（SMA）因其独特的形状记忆效应和超弹性而备受青睐。其中，近等原子比的镍钛（NiTi）合金是最为重要的成员。然而，如何通过先进的制造技术，尤其是近年兴起的激光粉末床熔化（LPBF，即金属3D打印），来精确控制其核心功能特性——马氏体相变温度（MTT），一直是业界面临的巨大挑战。

传统LPBF工艺优化主要聚焦于消除孔洞、裂纹等缺陷，以获得高致密度的零件。但研究者们发现，即使使用不同工艺参数打印出同样致密的NiTi合金，其相变温度也可能相差超过50°C，导致力学性能和形状记忆功能发生显著变化，这使得精确的性能控制异常困难。

最近，中南大学研究团队一项发表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》上的突破性研究，成功将LPBF工艺优化的范式从“消除缺陷”转向“精确性能控制”，为高性能NiTi合金的定制化制造提供了全新的通用路线图。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104352

论文的通讯作者为中南大学李瑞迪教授，第一作者为博士生郑聃。

传统瓶颈：致密不等于性能可控

在LPBF过程中，工艺参数如激光功率（P）、扫描速度（v）、扫描间距（h）等共同决定了输入到材料中的能量。传统上，常用体能量密度（Ev = P/(v·h·t)）或线能量密度（El = P/v）来评估工艺窗口和致密化行为。

然而，工程实践的一个典型痛点是：同一粉末、同一设备、相对致密（接近100%）的样品，其马氏体相变温度Ms能相差几十K，屈服强度和超弹性也差异显著。

传统LPBF 工艺优化主要以“无气孔、无裂纹”为目标，更多是合格/不合格的判据，而不是按需求定制相变温度和力学性能。

本工作要解决的核心问题是：在零件致密的前提下，能否建立一套参数–熔池–组织–性能的可预测关系，实现从“消缺陷”向“控性能”的范式转换？

图1：相同线能量密度（El）下，不同激光功率（P）和扫描间距（h）组合对马氏体开始温度（Ms）的影响。

这表明，仅用能量密度的“总量”已无法解释和调控性能的细微差别，工艺参数的影响机制远比想象中复杂。

核心发现：

一个简单而普适的新定律—El/v

经过系统性实验和理论分析，研究团队揭示了背后的关键机制：合金元素的挥发（尤其是Ni）和熔池动态行为，是造成相变温度波动的根本原因。

他们创新性地提出了一个简单的参量——归一化能量输入率（El/v），成功地将工艺参数与熔池动力学、元素挥发以及最终的微观组织、相变行为联系起来。

核心公式：

其中，ΔCNi是Ni元素的损失量。

这个公式意味着：

1.Ni的挥发损失及由此引起的Ms温度变化，主要由El/v决定，而不仅仅是El或Ev。

2.在特定的El/v范围内（225–500 J·s·m⁻²），Ms温度与El/v呈良好的线性关系，每增加1 kJ·s·m⁻²，Ms温度约上升83 K，Ni损失约0.67 at.%。

3.当El/v过低（< 225 J·s·m⁻²）时，能量输入主要用于熔合，挥发弱且熔池动力学不足，导致组织不均匀，Ms与El/v关系失准。

4.当El/v过高（> 500 J·s·m⁻²）时，熔池进入匙孔模式且不稳定，挥发剧烈且不可预测，同时可能引发不利析出，Ms与El/v的线性关系再次被打破。

图2：Ms温度与归一化能量输入率（El/v）的关系呈现典型的S型曲线，中间线性区域为性能可精确调控的区域。

双重准则：从“几何”到“动力学”的完整调控

基于上述发现，研究提出了LPBF工艺参数设计的双重准则（图3）：

1.能量输入的“量”（El）：控制熔池的几何形态（大小、深宽比）和致密化行为，确保打印件无缺陷（如未熔合、小孔）。

2.能量输入的“率”（El/v）：控制熔池的动力学行为（挥发、对流、稳定性）和功能组织形成，最终决定材料的微观结构和相变性能。

这一双重准则完美解释了为何在相同El下，不同P/v组合会得到不同性能的零件，并为实现性能的精确预测和控制提供了理论工具。

图3：LPBF参数设计的双重准则示意图。El决定熔池几何与致密度，El/v决定熔池动力学与微观组织。

性能验证：优异的综合性能与普适性

应用该优化路线图，团队成功打印出了性能卓越的NiTi合金：

超高延展性：最优工艺窗口内的样品拉伸断裂延伸率可达~22%，超过了大多数已报道的LPBF打印富镍NiTi合金，达到了传统加工方法的水平。

性能可定制：通过调节工艺参数（在El/v的线性敏感区内），可以精确地“定制”合金的相变温度，满足不同应用场景的需求。

普适性验证：该El/v定律不仅在NiTi合金中成立，在CuAlMn形状记忆合金和304L不锈钢的打印中也得到了验证，显示出其作为通用工艺指导原则的强大潜力。

图4：在不同工艺区域（A, B, C）打印的NiTi样品表现出截然不同的拉伸性能和超弹性行为。区域B（最优窗口）的样品实现了强度与塑性的最佳结合。

意义与展望：

开启“性能导向”的增材制造新时代

这项研究的意义在于实现了几个关键转变：

从“缺陷消除”到“性能控制”：将工艺优化的目标从确保几何完整性，提升到精确调控材料内在功能属性。

从“经验试错”到“机理预测”：通过建立El/v与熔池动力学、元素挥发的定量关系，为工艺参数选择提供了清晰的理论依据和预测模型。

从“个案优化”到“普适路线”：提出的双重准则和El/v定律具有普适性，可推广至其他合金体系的LPBF工艺开发，大大减少实验摸索的成本和时间。

这项研究不仅为高性能NiTi形状记忆合金的增材制造提供了切实可行的工艺蓝图，更在更广泛的层面上，为所有追求“性能定制化”的金属增材制造技术指明了新的发展方向——通过主动管理熔池动力学，来实现对材料微观结构和最终性能的精确掌控。

未来，结合机器学习等先进手段，这一框架有望进一步发展为智能化的工艺设计和在线监控系统，推动增材制造技术在高端功能部件制造中发挥更大的作用。

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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