研究人员开发出具有卓越超弹性的 3D 打印形状记忆合金

作者：德克萨斯 A&M 大学 的 Michelle Revels

左侧展示了镍钛粉末的电子显微照片。研究人员可以使用这种粉末制造 3D 打印部件，例如镍钛晶格（右）。学分：德克萨斯 A&M 工程

激光粉末床融合是一种 3D 打印技术，在制造业中具有潜力，特别是在制造具有复杂几何形状的镍钛形状记忆合金时。尽管这种制造技术对生物医学和航空航天领域的应用很有吸引力，但它很少展示使用镍钛形状记忆合金的特定应用所需的超弹性。在 3D 打印过程中产生的缺陷和施加在材料上的变化阻止了超弹性在 3D 打印的镍钛合金中出现。

德克萨斯 A&M 大学的研究人员最近通过激光粉末床融合制造了一种形状记忆合金，展示了卓越的拉伸超弹性，几乎是文献中报道的 3D 打印最大超弹性的两倍。

这项研究最近发表在第一卷。229材料学报。

镍钛形状记忆合金具有多种应用，因为它们能够在加热或消除施加的应力后恢复其原始形状。因此，它们可用于生物医学和航空航天领域的支架、植入物、手术器械和飞机机翼。然而，开发和正确制造这些材料需要广泛的研究来表征功能特性和检查微观结构。

“形状记忆合金是可以记住其高温形状的智能材料，”材料科学与工程系前博士生、该出版物的第一作者薛雷博士说。“虽然它们可以以多种方式使用，但将形状记忆合金制造成复杂的形状需要微调以确保材料具有所需的性能。”

激光粉末床融合是一种增材制造技术，它提供了一种有效生产镍钛形状记忆合金的方法，为快速制造或原型制作提供了途径。这种技术类似于聚合物 3D 打印，使用激光逐层熔化金属或合金粉末。逐层工艺是有益的，因为它可以创建具有复杂几何形状的零件，这在传统制造中是不可能的。

“使用 3D 打印机，我们将合金粉末散布在基材上，然后使用激光熔化粉末，形成一个完整的层，”薛说。“我们重复这种分层，扫描相同或不同的图案，直到形成所需的结构。”

遗憾的是，大多数镍钛材料无法承受当前的激光粉末床熔合工艺，往往会因大的热梯度和氧化脆性而导致印刷缺陷，如孔隙率、翘曲或分层。此外，激光在打印过程中会因蒸发而改变材料的成分。

为了解决这个问题，研究人员使用了他们在之前的研究中创建的优化框架，该框架可以确定最佳工艺参数，以实现无缺陷的结构和特定的材料特性。

有了这个框架，以及成分和工艺参数的变化，研究人员制造了镍钛零件，在印刷条件下（没有制造后热处理）始终表现出 6% 的室温拉伸超弹性。这种超弹性水平几乎是之前在 3D 打印文献中看到的数量的两倍。

通过 3D 打印生产具有更高超弹性的形状记忆合金的能力意味着这些材料更有能力处理施加的变形。使用 3D 打印开发这些优质材料将降低制造过程的成本和时间。

未来，研究人员希望他们的发现能够增加印刷镍钛形状记忆合金在生物医学和航空航天应用中的使用。

“这项研究可以作为如何打印具有所需机械和功能特性的镍钛形状记忆合金的指南，”薛说。“如果我们可以定制晶体结构和微观结构，这些形状记忆合金可以用于更多的应用。”

这项研究由美国陆军研究实验室、国家优先研究计划拨款、卡塔尔国家研究基金和美国国家科学基金会拨款资助。

该出版物的其他贡献者包括材料科学与工程系主任易卜拉欣·卡拉曼博士；材料科学与工程教授 Kadri Can Atli 博士和 Raymundo Arroyave 博士；前材料科学与工程专业学生 Abhinav Srivastava 博士和现任学生 Nathan Hite；Wm Michael Barnes '64 工业系统与工程系教授 Alaa Elwany 博士；工业系统与工程专业学生张晨；和美国陆军研究实验室研究人员 Asher C. Leff 博士、Adam A. Wilson 博士和 Darin J. Sharar 博士。