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《SLM增材制造具有超级拉伸弹性的无缺陷NiTi形状记忆合金》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2022-10-21

  • 据顶刊《Acta Materialia》报道：Texas A&M University的研究人员及其合作者报道了SLM增材制造具有超级拉伸弹性的无缺陷NiTi形状记忆合金。

    激光粉床熔化是一种很有前途的增材制造技术，可用于制造复杂几何形状的NiTi形状记忆合金零件，而传统的加工方法很难制造这些零件。这项技术对于镍钛形状记忆合金的生物医学应用特别有吸引力，例如支架、植入物以及牙科和外科设备，其中主要是利用超弹性效应。然而，很少有报道称，由于持续的气孔形成或印刷过程中氧化产生的脆性，或两者兼而有之，增材制造的NiTi零件在打印时的拉伸条件下，在没有制造后热处理的情况下表现出超弹性。在这项研究中，NiTi零件是用激光粉末床熔合制造的，在打印条件下一直表现出高达6%的室温拉伸超弹性，几乎是文献报道的最大值的两倍。这是通过使用优化的工艺参数消除气孔和裂纹，从富镍镍钛粉末原料中蒸发镍，以及控制打印室的氧气含量来实现的。晶体织构分析表明，打印后的NiTi零件具有较强的超弹性择优织构，当复杂形状的零件受到联合载荷时，这一因素需要仔细考虑。透射电子显微镜研究表明，在打印零件中存在纳米氧化物颗粒和富镍析出物，它们通过抑制马氏体相变的非弹性调节机制，在改善超弹性中发挥作用。

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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-10-21
    • 据顶刊《Acta Materialia》报道：Texas A&M University的研究人员及其合作者报道了SLM增材制造具有超级拉伸弹性的无缺陷NiTi形状记忆合金。 激光粉床熔化是一种很有前途的增材制造技术，可用于制造复杂几何形状的NiTi形状记忆合金零件，而传统的加工方法很难制造这些零件。这项技术对于镍钛形状记忆合金的生物医学应用特别有吸引力，例如支架、植入物以及牙科和外科设备，其中主要是利用超弹性效应。然而，很少有报道称，由于持续的气孔形成或印刷过程中氧化产生的脆性，或两者兼而有之，增材制造的NiTi零件在打印时的拉伸条件下，在没有制造后热处理的情况下表现出超弹性。在这项研究中，NiTi零件是用激光粉末床熔合制造的，在打印条件下一直表现出高达6%的室温拉伸超弹性，几乎是文献报道的最大值的两倍。这是通过使用优化的工艺参数消除气孔和裂纹，从富镍镍钛粉末原料中蒸发镍，以及控制打印室的氧气含量来实现的。晶体织构分析表明，打印后的NiTi零件具有较强的超弹性择优织构，当复杂形状的零件受到联合载荷时，这一因素需要仔细考虑。透射电子显微镜研究表明，在打印零件中存在纳米氧化物颗粒和富镍析出物，它们通过抑制马氏体相变的非弹性调节机制，在改善超弹性中发挥作用。
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  • 《突破 | 华南理工大学选区激光熔化NiTi形状记忆合金研究进展》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2024-02-26
    • 由于NiTi形状记忆合金(SMAs)具有高反应敏感性和低热导率等物性，导致其初步成形件的后续加工十分困难，作为一种典型的金属增材制造技术，选区激光熔化(SLM)增材制造技术在近净成形复杂几何形状的金属构件方面具有显著优越性，能够有效解决NiTi SMAs冷加工难、加工成本高的问题。为实现SLM NiTi SMAs的工程应用，需厘清其工艺参数-微观结构-功能特性的内在联系，揭示其相转变行为与功能特性变化的机理，建立坚实的理论基础。 基于此，华南理工大学杨超教授团队在《金属学报》期刊发表的《选区激光熔化NiTi形状记忆合金研究进展》一文中重点对选区激光熔化(SLM)增材制造NiTi SMAs的成形性、相转变行为、微观结构、力学性能和热机械性能的相关研究结果进行了分析与总结。同时，对近来SLM多孔NiTi SMAs的设计及其生物相容性的探索研究进行了阐述。最后，展望了SLM NiTi SMAs研究过程中需要重点突破的问题。 NiTi、不锈钢和人体组织的性能对比图;多孔结构的模型图以及SLM制备的多孔NiTi SMAs 总结与展望 目前，针对SLM NiTi SMAs已经得到了较为系统的研究，关于SLM NiTi SMAs成形性的研究表明，低功率结合低速率以及高功率结合高速率是目前普遍采用的工艺参数;SLM NiTi SMAs相转变行为的调控则主要归因于基体中Ni原子含量的变化和热处理过程中沉淀相的析出与分布等，同时，成形过程中残余热应力的存在以及基体中元素分布不均匀的现象也会影响SLM NiTi SMAs的相转变行为;对于SLM NiTi SMAs的微观结构而言，大量柱状晶以及不均匀结构的存在会导致SLM NiTi SMAs功能各向异性的出现，后续热处理工艺能够有效消除这种各向异性并改善其功能特性;SLM NiTi SMAs的生物相容性正逐步成为研究热点，多孔结构设计的多样性、表面改性处理的可控性等为其在生物医用领域的应用提供了更多可能。根据国内外研究现状和发展趋势，为进一步促进SLM NiTi SMAs的发展，需要从以下几方面重点突破。 (1) SLM NiTi SMAs的拉伸超弹性研究。SLM NiTi SMAs中结构缺陷(如微裂纹、孔隙等)的存在导致目前研究以压缩变形为主，对SLM NiTi SMAs的拉伸超弹性研究相对较少，而NiTi SMAs在服役过程中普遍存在拉伸变形，因此SLM NiTi SMAs的拉伸超弹性有待深入研究。同时，对比也可以发现SLM NiTi SMAs相对传统轧制+时效NiTi SMAs的超弹性有待进一步提高，因此探索提高SLM NiTi SMAs的回复应变和形状回复稳定性的途径是实现其工业化应用的必要条件。 (2) SLM NiTi SMAs的双程形状记忆效应研究。双程形状记忆效应不是NiTi SMAs的固有属性，需要经过适当的冷变形(马氏体或奥氏体状态的过量变形)、热机械循环训练和约束时效等途径获得。从工程应用的角度讲，理想的双程形状记忆效应训练工艺应该具有应变大、稳定性好和相变温度变化小等特点。研究如何在SLM NiTi SMAs中获得稳定的双程形状记忆效应，实现其在智能机器人、复杂驱动装置与执行元器件等领域对复杂驱动元件的创新应用，是拓展复杂SLM NiTi构件应用的重要发展方向。 (3) SLM NiTi SMAs结构疲劳和功能疲劳的性能评价。目前关于SLM NiTi SMAs结构疲劳和功能疲劳的性能评价研究尚存在较大空白。在循环拉伸或压缩过程中，SLM NiTi SMAs会逐步出现结构疲劳和功能疲劳，2者存在紧密联系，也表现出显著区别。结构疲劳或者功能疲劳出现时，会破坏SLM NiTi SMAs的服役效果。SLM NiTi SMAs在循环拉伸或压缩过程中，基体位错的产生与积累、微裂纹的形成与扩展等会逐步导致其结构疲劳的出现;同时，在循环拉伸或压缩过程中，或者升温降温过程中，SLM NiTi SMAs在发生相转变的过程中，由于界面的不兼容性，会在马氏体与奥氏体的界面处形成少量的位错，这些位错的逐步积累会导致马氏体相变温度、相变滞后等功能特性发生衰减，最终导致功能疲劳的出现。在结构疲劳出现的过程中，会导致功能疲劳;功能疲劳形成的过程中，也会导致结构疲劳。如何使得结构疲劳和功能疲劳达到均衡状态，是SLM NiTi SMAs面临和亟需解决的关键问题之一。 (4) 各向同性的SLM NiTi SMAs的制备与研究。由于SLM过程中的快速熔化与凝固、复杂热历史等，SLM NiTi SMAs的微观结构与传统工艺得到的NiTi合金存在明显区别。SLM过程中，方向性的散热与凝固，会促进柱状晶定向生长和“外延生长”，导致大量柱状晶的形成和[100]B2织构的形成。如何有效避免大量柱状晶的形成，制备得到具有等轴晶结构、性能各向同性，同时提高其功能特性的SLM NiTi SMAs，是当前的研究热点。当前，国内外研究结合熔池凝固过程中的温度场分布、晶粒形核长大的理论等，通过外加磁场、基板预热和调控工艺策略等方法影响熔池凝固行为，获得了具有特定微观结构的SLM NiTi SMAs，在一定程度上减少了柱状晶的形成。同时，后续热处理也是有效获得各向同性SLM NiTi SMAs的有效方法。 (5) SLM多孔NiTi SMAs的生物力学性能与表面改性研究。SLM多孔NiTi SMAs相对传统多孔NiTi具有孔隙孔径可控、可设计度高、可个性化定制等优点。SLM多孔NiTi SMAs的研究目前主要涉及制备精度、微观结构、压缩性能、形状记忆性能、超弹性和体外生物相容性等，对于生物力学性能，如人体温度、人体体液下的强度、形状记忆性能、超弹性等，却没有涉及。后续研究需要对SLM多孔NiTi的生物力学性能开展大量研究，为其作为骨科植入物打下坚实基础。功能化表面改性处理是实现NiTi SMAs生物相容性进一步提高、减少Ni原子释放的关键步骤。通过抛光、表面合金化和涂层等表面技术，可大幅改善多孔NiTi SMAs的生物行为。此外，这些表面处理还可改善其促成骨、抗菌、抗炎等生物功能。 (6) SLM多孔NiTi SMAs的植入实验与性能评估。尽管多孔NiTi SMAs在椎间融合器等骨科植入物方面已经取得了显著的临床应用效果，但SLM多孔NiTi植入物的临床应用尚未实现。开展SLM多孔NiTi SMAs的植入实验与性能评估是实现其临床应用的必要前提。通过多孔结构设计与优化，制备得到满足不同植入需求的多孔NiTi植入物;通过动物植入实验，评估其生物相容性，检测其植入需求完成度，并对其综合性能进行准确评估，得到SLM多孔NiTi植入物的综合评估数据库，能够为实现个性化的多孔NiTi植入物在骨缺损治疗、骨缺损自填充等方面的临床创新应用奠定基础。整体而言，SLM多孔NiTi植入物临床应用的实现是一个充满挑战的跨学科难题，需要材料、机械、生物、医学等多学科共同来完成。
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