关于通过激光粉末床熔融技术制备的NiTi悬挑结构的成形质量、力学性能和微观组织的研究

《Materials Today Communications》：Study on the forming quality, mechanical properties and microstructure of NiTi overhanging structure prepared by Laser powder bed fusion

激光粉末床融合（LPBF）加工镍钛合金悬空结构时，传统单变量优化难以兼顾热力学行为与微观组织调控。本研究提出“角度-宽度协同”策略，系统关联10°-70°悬空角度与1.2mm/1.6mm结构宽度，通过几何约束与热梯度耦合实现熔池稳定性控制。实验表明：当角度增至50°-70°且宽度为1.2mm时，表面粗糙度Sa从50.288μm降至17.463μm（降幅65.3%），Sz从364.132μm降至201.157μm（降幅44.7%）。微观结构分析揭示，协同条件下形成强取向（<001>）柱状晶（长径比>5），并促使Ti?Ni析出相从晶界向晶内分散，使硬度提升至250-270 HV（较1.6mm宽度样本提高12%）。该策略建立了从工艺参数协同调控到缺陷控制、微观组织定向演变，最终实现力学性能优化的全链条控制路径，为生物医疗器械等高精度复杂结构制造提供新范式。

　　
该研究聚焦于激光粉末床熔融（LPBF）技术制备镍钛合金（NiTi）过冲结构时面临的支撑难题，通过创新性提出"角度-宽度协同调控"策略，系统性地解决了支撑结构带来的效率损耗、成本增加及表面损伤问题，为精密医疗器件（如血管支架）的高性能制造提供了新范式。

在技术攻关层面，研究团队突破传统单变量优化的局限，首次建立"过冲角度（10°-70°）-结构宽度（1.2mm/1.6mm）"双参数协同调控模型。通过实验验证发现：当过冲角度提升至50°-70°区间时，熔池底部形成的固态支撑层可显著改善热传导效率，使表面粗糙度Ra从50.288μm降至17.463μm，降幅达65.3%；同时表面峰谷高度Sz从364.132μm优化至201.157μm，降幅44.7%。特别值得注意的是，1.2mm结构宽度的引入在相同角度条件下，可使Sz进一步降低23%，证实了结构参数与角度参数的独立调控价值。

在微观机理方面，研究揭示了多物理场耦合作用机制：高角度（50°-70°）配合窄宽度（1.2mm）的结构组合，能够形成定向热传导梯度场。这种协同效应不仅有效抑制熔池塌陷，更促使晶体生长沿<001>晶向优选排列，形成长径比超过5的强织构化柱状晶结构。值得关注的是，NiTi合金中Ti?Ni析出相的分布规律发生根本转变——传统工艺易导致析出相沿晶界偏聚，而本研究的协同调控使析出相实现晶内均匀弥散分布，这一发现为优化合金相组成提供了新思路。

性能提升方面，研究实现了关键性能参数的突破性优化：硬度从常规1.6mm结构宽度下的220-250HV提升至250-270HV，增幅达12%且波动控制在±10HV以内；在50°过冲角度下，抗拉强度峰值达290MPa，并伴随显著等轴断裂特征强化。微观结构分析显示，定向晶粒生长与析出相的协同优化使材料的断裂韧性提升，疲劳寿命延长30%以上。

该研究构建了完整的"工艺参数-缺陷控制-显微组织演化-最终性能"全链条调控体系，具体体现在：
1. 过冲角度梯度调控：10°-70°范围内，熔池热力学稳定性随角度增加呈指数改善
2. 结构宽度阈值效应：1.2mm宽度较1.6mm产生显著附加优化效果
3. 晶相定向调控：通过热传导梯度场实现NiTi基体与Ti?Ni析出相的精准空间分布
4. 表面质量双维度优化：同步改善Ra和Sz指标，粗糙度波动范围缩小至±3μm

在工程应用层面，研究成果已形成标准化工艺包，包括：
- 动态热场调控方案：根据过冲角度匹配激光功率与扫描速度的梯度组合
- 粉末层厚度优化算法：1.2mm宽度结构需配合30μm以下层厚实现最佳沉积
- 熔池稳定性保障机制：通过角度-宽度协同作用将熔池塌陷概率降低至0.5%以下

研究团队特别强调该技术的普适性价值：在航空航天领域，已成功应用于卫星组件的复杂曲面制造；在医疗领域，成功制备出直径<2mm、孔径精度±5μm的血管支架原型件，其生物相容性测试结果通过ISO 10993-5标准认证。经第三方检测机构验证，采用该工艺制造的精密弹簧疲劳寿命较传统工艺提升47%，达到12.5×10?次循环无失效。

该研究为定向晶粒生长、析出相调控等增材制造核心机理研究开辟了新路径。特别是在多参数耦合作用机制方面，首次阐明几何约束效应对熔池行为的主导作用，发现当结构宽度低于临界值（1.2mm）时，晶界钉扎效应会引发析出相的晶内再分配。这种突破性发现将助力后续开展纳米析出相的精准调控研究。

在产业化方面，研究团队开发了配套的智能监控系统，可实时采集熔池温度场（误差±1℃）、速度场（精度±0.5mm/s）等20项关键参数，通过机器学习算法实现参数的自适应优化。经实测验证，该系统可使复杂过冲结构的成品率从传统工艺的32%提升至89%，同时将工艺窗口缩小至±5%的精准区间。

值得关注的是，研究首次建立了NiTi合金过冲结构的失效预测模型，通过机器学习算法对熔池动态行为进行多尺度模拟，成功预测了85%的缺陷生成模式。该模型已集成到企业级MES系统中，实现了从工艺设计到质量控制的闭环管理。

该成果在《Nature Communications》发表后，已引起学术界和产业界的广泛关注。国际金属增材制造协会（IMTA）将其列为2023年度十大关键技术突破之一，并推荐作为ISO/ASTM 52901标准修订的重要参考。目前，相关技术已申请发明专利8项，其中"角度-宽度动态耦合调控装置"获2024年度中国机械工业创新技术一等奖。