最小52μm！μ-LPBF金屬3D打印NiTi合金微器件獲突破，兼具優(yōu)異力學與形狀記憶性能

投稿作者：熊志偉（本論文一作），中國石油大學（北京）新能源與材料學院博士生

2022年6月，中國石油大學（北京）郝世杰教授團隊聯(lián)合西澳大學、云耀深維（江蘇）科技有限公司、德國Aixway3d 有限公司在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上在線發(fā)表了題為《Micro laser powder bed fusion of NiTi alloys with superior mechanical property and shape recovery function》的研究文章。該文在采用小激光光斑、小粉末粒徑及小鋪粉層厚的基礎上，通過優(yōu)化組合激光功率與掃描速率，獲得了兼具高致密度與低表面粗糙度的優(yōu)異成形性能，并從熱歷史的角度分析了μ-LPBF單道掃描與常規(guī)LPBF多道重疊掃描的區(qū)別，以微器件為對象分析了μ-LPBF制備NiTi合金在制造性能、微觀結構、相變行為及力學性能的綜合特性，揭示了其與常規(guī)LPBF制備NiTi合金不同的特性。

所制備的NiTi合金薄壁件可展現(xiàn)最小52 μm的成型壁厚及小于2 μm的表面粗糙度，遠優(yōu)于現(xiàn)有μ-LPBF制備的其他金屬構件，同時也能展現(xiàn)一定的拉伸塑性（拉伸應變>6%）和形狀記憶效應；所制備的NiTi微晶格和微支架（桿徑尺寸≤100 μm）可以承受50%的壓縮變形不斷裂，同時加熱后形狀回復達98%以上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22003530?via%3Dihub

研究背景
NiTi形狀記憶合金因具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼性及生物相容性而在功能微器件（最小特征壁厚/桿徑<100 μm）領域展現(xiàn)了極大的應用前景，如微驅動器、微機械傳感器、微醫(yī)療器件和植入物、微電子系統(tǒng)器件等。然而，制備此類具有復雜結構或三維結構的NiTi功能微器件需要特殊的制造方式，常規(guī)的機加工難以適用此類NiTi合金構件。

激光粉床熔覆（Laser powder bed fusion, LPBF）作為一種粉末床增材制造技術，可以通過逐層制造的方式實現(xiàn)復雜結構的三維制造。相比于其他金屬增材制造方式比如直接能量沉積、電子束選區(qū)熔化等，LPBF擁有更高的表面光潔度和更小的制造尺寸。然而，受限于單道熔池的寬度，常規(guī)的LPBF所能制造的最小特征尺寸依然≥300 μm。這一數(shù)值遠大于微器件所要求的特征尺寸。近年來，μ-LPBF正逐步發(fā)展，其是通過縮減一個或多個加工參數(shù)比如光斑直徑、粉末粒徑以及鋪粉層厚來實現(xiàn)。盡管有學者以μ-LPBF的名義研究過NiTi合金或者對比過常規(guī)LPBF與μ-LPBF在制備316 L不銹鋼材料的不同，但是他們的研究對象依然是塊體材料，并沒有制備出滿足要求的微器件。也有學者制備出了特征尺寸在100 μm以下的復雜結構，涉及到鉬彈簧、不銹鋼螺旋結構等，但這些研究的制造品質不盡如意，表現(xiàn)了較差的表面光潔度和低的致密度。更重要的是，這些微構件并沒有展現(xiàn)一定的力學或功能特性，難以滿足實際應用需求。

此外，在實際生產(chǎn)中，為了獲得更小的制造尺寸，μ-LPBF不僅采用小尺寸加工參數(shù)，而且通常采用單軌道激光掃描的方式，這不同于常規(guī)LPBF的多軌道重疊掃描，其將會帶來顯著不同的熱歷史，無論是在加熱熔化或是冷卻凝固過程。熱歷史的不同必然會帶來微觀組織、成分分布、相變等方面的不同，而目前尚缺乏以此為視角的研究，也缺乏高質量微器件的成功制備。

創(chuàng)新點
本研究從掃描模式和熱歷史角度，以NiTi微器件為研究對象，綜合探究了μ-LPBF制備NiTi合金的熱歷史特征、制造性能、材料微觀組織與相變行為，揭示了采用μ-LPBF制備100 μm以下NiTi合金構件的內(nèi)部微觀特征與宏觀力學/記憶性能，并制備了一系列兼具優(yōu)異力學與形狀回復性能的NiTi功能微器件。

圖文簡述

△圖1. 常規(guī)LPBF與μ-LPBF在掃描模式和內(nèi)部某點熱歷史的區(qū)別。

常規(guī)LPBF制備樣品采用多軌道重疊掃描，內(nèi)部任意一點會經(jīng)歷多次重復加熱熔化-冷卻凝固，以及復雜的各個方向再加熱過程；而μ-LPBF制備過程中因激光單道掃描，重熔僅發(fā)生在層間建造方向，層內(nèi)僅一次熔化凝固過程，其內(nèi)部任意一點經(jīng)歷的重熔再加熱很弱。而且極小的薄壁特征下，周圍粉末作為散熱介質的影響也被增大。這些熱歷史的區(qū)別對于成分分布、晶粒尺寸、析出情況、組織形貌等均有可能產(chǎn)生影響。

△圖2. μ-LPBF采用的小粒徑NiTi粉末表征。

   
本研究采用了粒徑為5.8-19.6 μm的NiTi粉末，光斑直徑為22 μm，鋪粉層厚為10 μm。以功率和速率為變量設計一組正交實驗摸索最佳參數(shù)窗口，并探究μ-LPBF下工藝參數(shù)對薄壁件成形壁厚、粗糙度、致密度、相變、力學等多方面的影響。

△圖3. 本文所采用的激光單道掃描方式示意圖及制備的多種NiTi合金微器件。


△圖5. 不同激光功率和掃描速率組合下的制造性能，包括成形壁厚、相對致密度、表面粗糙度。


△圖6. μ-LPBF制備的金屬微器件綜合性能對比。


△圖7. μ-LPBF制備的NiTi薄壁件側面熔池及晶粒形貌。

   
采用單道掃描制備的NiTi薄壁件，其側面侵蝕后的熔池形貌會展現(xiàn)與常規(guī)LPBF塊體或薄壁不一樣的特征。隨著功率增大，熔池邊界從淺凹型逐漸變?yōu)樯頥型加兩側肩部。低功率時，激光沖擊力度小，散熱主要沿著底部已凝固金屬向下傳遞，高功率下激光沖擊力度大，熔池更深，心部散熱介質主要是已凝固金屬，因此會出現(xiàn)常見的V型，但兩側散熱介質有粉末和凝固金屬，且四周粉末導熱遠不如底部已凝固金屬，因此散熱方向主要沿豎直方向。成形塊體材料時兩側肩部會被覆蓋，常規(guī)LPBF成形薄壁時由于壁厚尺寸太大，這種肩部效應也無法呈現(xiàn)出來，因此這是在單道掃描模式和極小壁厚尺寸共同作用下產(chǎn)生的獨特特征。

△圖10. μ-LPBF、常規(guī)LPBF、傳統(tǒng)鍛造三種工藝制備的NiTi合金相變行為（相變峰寬、馬氏體相變焓）的對比。

本研究發(fā)現(xiàn)，μ-LPBF制備的NiTi薄壁材料會呈現(xiàn)更寬的相變峰寬以及更低的相變焓。這可能與其弱的熱歷史帶來的更嚴重成分不均勻性有關。

△圖11. μ-LPBF制備NiTi合金薄壁的拉伸性能與記憶效應。


△圖12.  μ-LPBF制備的NiTi合金微晶格和微支架的力學和形狀回復功能。

結論
本研究在μ-LPBF的基礎上優(yōu)化組合工藝參數(shù)，顯著提高了制造性能，獲得了較好的力學和功能特性。還從掃描模式和熱歷史角度分析了微尺度打印NiTi獨特的微觀結構與相變行為，這將為微尺度金屬增材制造提供一定理論指導。但本研究依然處于初步探究，對于一些深入的科學機理比如微尺度打印下孿晶、析出相等微觀組織的演變行為、成分分布的精準測定、熱歷史的模擬分析，以及成形器件的實際應用問題如疲勞性能、功能循環(huán)穩(wěn)定性、批量制造穩(wěn)定性等依然需要進一步研究和深入分析。