重庆大学李坤教授团队：通过激光粉末床熔融调控微孔率及镍含量实现NiTi合金微结构超材料制造 | AMF论文推荐

引用论文

Ruijin Ma, Jianbin Zhan, Jinzhou Wu, Jiahui Fang, Shengqian Wang, David Z. Zhang, Xuan Liang, Huajun Caoe, Kun Li. Achieving Microstructural Meta-Materials in NiTi Alloys by Tailoring Microporosity and Ni Content with Laser Powder Bed Fusion. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 4, 2025, 200228.

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200228.

文章链接：

1研究背景及目的

镍钛形状记忆合金因其可逆马氏体相变产生的超弹性和形状记忆而被广泛应用于许多智能结构中。这种马氏体相变可以通过调整临界相变应力来实现。但各种智能结构应对不同的环境，所需的马氏体相变程度各不相同。大多数研究中，这种机械响应是通过宏观结构来实现的。本研究旨在通过调控LPBF工艺参数（如激光扫描速度），系统研究微孔率和镍含量对NiTi合金相变起始应力及超弹性的影响，揭示其协同作用机制，为微结构超材料的设计提供理论支持。

2论文亮点

（1）通过LPBF技术协同调控NiTi合金的微孔率与镍含量，实现相变应力的定制化设计；

（2）阐明了微孔率（通过应力集中降低相变应力）与镍含量（通过弹性能增加提升相变应力）对机械性能的拮抗作用机制；

（3）发现扫描速度1400 mm/s为临界点，低于此速度时高密度与高镍含量协同提升性能，高于此速度则孔隙率负面影响占主导。

（4）结合实验（EBSD、DSC以及万能试验机）与热力学模型（Lagoudas模型），全面解析微结构演化与宏观性能的关联。

3试验方法

采用预合金Ni50.5Ti49.5粉末（粒径20-60 μm），通过LPBF设备（FS121M）制备样品。调整激光功率（150 W）和扫描速度（900-1800 mm/s），控制孔隙率和镍蒸发量。样品经电火花切割后，进行压缩测试（应变6.25%，应变率10-3/s）评估超弹性；通过阿基米德法测量密度，电解抛光后利用EBSD分析位错密度与相分布，DSC表征相变行为。结合Lagoudas热力学模型，模拟含孔NiTi合金的压缩响应，揭示孔隙对应力集中和相变起始的影响。

4结果

（1）扫描速度低于1400 mm/s时，样品相对密度＞98%，临界相变应力和可恢复应变率随速度增加而提升（如1300 mm/s时临界应力达600 MPa，应变恢复率＞90%）；速度＞1400 mm/s时，孔隙率显著增加（密度降至95%），相变应力和恢复率下降（如1800 mm/s时临界应力降至450 MPa，恢复率＜80%）。

（2）EBSD显示，压缩后孔隙周围位错密度（KAM值从0.6°升至0.67°）和B19'相含量（0.4%→0.6%）显著增加，表明孔隙处优先发生马氏体相变与塑性变形。

（3）ICP-OES证实，高速扫描减少镍烧损（Ni含量从50.2 at.%升至50.8 at.%），提升相变阻力，但过量孔隙抵消其正面效应。

5结论

通过调控LPBF扫描速度，可平衡NiTi合金的微孔率与镍含量，实现相变起始应力和超弹性的微观结构超材料定制化设计。低速（＜1400 mm/s）下高密度与适度镍含量协同提升性能；高速（＞1400 mm/s）时孔隙率增加导致应力集中和不可逆塑性变形，削弱超弹性。研究揭示了微孔率与镍含量的拮抗作用机制，为微结构超材料在智能传感器、轻量化结构等领域的应用提供了理论依据与工艺优化策略。

6前景与应用

该成果为NiTi合金微结构超材料的性能定制开辟了新路径，可应用于可调刚度传感器、航空航天轻量化部件及高效隔热结构。未来可通过多尺度建模与工艺-性能闭环优化，进一步提升材料功能性与可靠性。

关于团队

作者介绍

李坤（本文通讯作者），教授，博士生导师，重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室/机械与运载工程学院，新重庆青年创新人才，重庆大学机械与运载工程学院“弘深青年学者”特聘专家，海外引进人才；高性能智能增材制造实验室（HπAM）主任，金属增材制造（3D打印）重庆市重点实验室常务副主任，重庆大学绿色智能制造研究所副所长。主要从事高性能金属增材制造与智能低碳制造研究，长期专注于高性能先进金属结构材料的“材料设计-相变调控-性能优化-智能加工”四位一体化智能制造。先后主持国家自然基金及联合基金、国家重点研发计划、重庆市重大专项、美国能源部国际合作项目等多项课题。已在金属材料机械加工领域国际知名期刊AM、IJMTM、IJMS、Small、JMST、JMPT等发表论文80余篇，谷歌引用3200余次，连续多年入选全球前2%顶尖科学家。担任《机械工程学报》《金属学报》《航空制造技术》《Frontiers in Materials》《中国激光》等青年编委，国际激光组织ICALEO委员、机械工程学会极端制造委员会/增材制造委员会青年委员、有色金属学会增材制造技术专业委员会委员。工作期间开发了多种镍基合金，稀土镁合金、超高强钢激光增材及3D打印工艺及在线检测技术，用于高端装备关键组件制造及修复。科研成果荣获中国商业联合会科技进步一等奖(R1)、美国NASA航空航天局技术应用奖（年度唯一华人学者）、国际激光组织ICALEO学会青年科学家奖、美国德克萨斯州立大学突出研究员奖、中国材料研究学会创新创业青年学者、产业化成果奖等荣誉。

近年团队发表文章

[1]Li K, Chen W, Yin B, Ji C, Bai S, Liao R, et al. A comparative study on WE43 magnesium alloy fabricated by laser powder bed fusion coupled with deep cryogenic treatment: Evolution in microstructure and mechanical properties. Addit Manuf. 2023;77.

[2]Li K, Ma R, Zhan J, Wu J, Fang J, Wang S, et al. Insight into the cracking mechanism of super-elastic NiTi alloy fabricated by laser powder bed fusion. Virtual Phys Prototyping. 2024;19(1).

[3]Li K, Liao R, Zheng Q, Zuo C, Yin B, Ji C, et al. Design exploration of staggered hybrid minimal surface magnesium alloy bone scaffolds. Int J Mech Sci. 2024;281.

[4]Zhan J, Li K, Ma R, Zhu L, Fang J, Cao H, et al. Achieving fine tailoring of elastocaloric properties of laser powder bed-fused NiTi alloy via laser beam manipulation. Int J Mach Tools Manuf. 2024;202.

[5]Li K, Fang J, Zhan J, Ma R, Wang S, Yang X, et al. Elastocaloric effect of laser powder bed fused NiTi alloy with customizable hierarchical heterogeneous microstructure. Addit Manuf. 2025;97.

作 者：李 坤

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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