電弧增材制造過(guò)程中橋接過(guò)渡模式的熱流體行為、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能

來(lái)源：電子科技大學(xué)新聞網(wǎng)

近日，電子科技大學(xué)廣東電子信息工程研究院（簡(jiǎn)稱“電研院”）曾志教授團(tuán)隊(duì)在增材制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊Additive Manufacturing（中科院一區(qū)Top，影響因子11.0）發(fā)表題為“Thermal-fluid behavior, microstructure and mechanical properties in liquid bridge transfer mode during directed energy deposition-arc additive manufacturing – Insights using NiTi as a model alloy”的學(xué)術(shù)論文，以NiTi形狀記憶合金為對(duì)象，研究了電弧增材制造過(guò)程中橋接過(guò)渡模式的熱流體行為、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。博士生柯文超為第一作者，曾志教授為通訊作者。

在電弧增材制造過(guò)程中，熔滴過(guò)渡、熔池動(dòng)力學(xué)和溫度特性對(duì)NiTi形狀記憶合金（SMAs）構(gòu)件的宏觀形態(tài)、顯微組織和機(jī)械性能有著重要影響。研究結(jié)果表明，NiTi形狀記憶合金電弧增材制造過(guò)程中主要有兩種熔滴過(guò)渡模式，即橋接過(guò)渡和自由過(guò)渡，其中橋接過(guò)渡模式熔融金屬過(guò)渡更為平穩(wěn)，有利于形成穩(wěn)定的熔池和優(yōu)異的成形質(zhì)量，而自由過(guò)渡模式熔滴周期性沖擊熔池，成形質(zhì)量較差。此外，橋接過(guò)渡模式成形構(gòu)件具有更窄的相變溫度區(qū)間，以及良好的超彈性回復(fù)特性。通過(guò)深入理解熔滴過(guò)渡機(jī)制，并結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，能夠?yàn)镹iTi形狀記憶合金的增材制造方法提供更好的工藝優(yōu)化策略。

▲圖1 熔滴過(guò)渡模式對(duì)NiTi形狀記憶合金增材制造熔池流動(dòng)、微觀組織和機(jī)械性能的影響

未來(lái)智能飛行器和機(jī)器人等變體結(jié)構(gòu)廣泛采用新型功能材料，傳統(tǒng)鍛造、軋制方法制備的形狀記憶合金功能單一，難以滿足能變形、變形準(zhǔn)、形多變的技術(shù)要求。針對(duì)組織、相變定量化設(shè)計(jì)與可控、易控的共性需求，課題組提出了基于超高頻脈沖電弧的增材制造方法。建立了熔池傳熱傳質(zhì)的多相耦合物理模型，揭示了滴搭橋過(guò)渡-自由過(guò)渡模式的熱流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制，闡明了沉積層中Ni元素蒸發(fā)燒損機(jī)理。進(jìn)一步揭示了工藝參數(shù)對(duì)組織成分的影響和Ni4Ti3等二次相的析出強(qiáng)化機(jī)制，解析了沉積層本征外延凝固過(guò)程中特定織構(gòu)沿溫度梯度的非平衡、非線性冶金規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了成形構(gòu)件超彈性和形狀記憶效應(yīng)的定性定量化控制，為變體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究為功能材料加工技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破和啟示，有望推動(dòng)低成本、可控增材制造新工藝新方法的發(fā)展，進(jìn)一步提升航空航天、機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率，滿足未來(lái)變體結(jié)構(gòu)輕量化、智能化的裝備技術(shù)需求。

近年來(lái)，課題組在《Additive Manufacturing》連續(xù)發(fā)表5篇高水平論文，其中ESI熱點(diǎn)論文2篇、高被引論文1篇。

▲圖2 NiTi形狀記憶合金電弧增材制造構(gòu)件功能評(píng)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了超彈性和形狀記憶效應(yīng)的定性定量化控制

▲圖3 NiTi形狀記憶合金電弧增材制造沉積成形機(jī)制，揭示了組織成分連續(xù)性對(duì)沉積層冶金反應(yīng)與力學(xué)性能的影響規(guī)律

曾志是電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院機(jī)器人與無(wú)人系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)核心成員，同時(shí)也是電研院科研團(tuán)隊(duì)帶頭人，在莞開(kāi)展“基于功能梯度材料的仿生爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)及增材制造”的研究工作，得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金粵莞聯(lián)合基金地區(qū)培育項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)目針對(duì)仿生機(jī)器人快速爬行、方向可控、高穩(wěn)健能力難以兼得的技術(shù)瓶頸，研究一款基于NiTi功能梯度材料為柔性驅(qū)動(dòng)材料的微型爬行機(jī)器人，揭示其爬行物理驅(qū)動(dòng)機(jī)理，提出可折疊的類(lèi)外骨骼及仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

代表性論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103807
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102513
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101051