随着4D打印技術的快速發展，作為典型金屬智能材料的NiTi形狀記憶合金（shape memory alloys, SMAs）再次成為研究關注的熱點。考慮到工程應用環境的日趨複雜化以及對更高性能NiTi SMAs的迫切需求，顆粒增強NiTi基功能複合材料成為其中一類重要發展方向。然而大多數情況下，第二相的添加往往會嚴重惡化NiTi SMAs的形狀記憶效應和超彈性，如何在提升NiTi SMAs力學性能同時較少的影響其功能特性仍然面臨顯著挑戰。
近期，我院武美萍教授團隊通過與南京航空航天大學顧冬冬教授團隊、卡迪夫大學Rossitza Setchi教授團隊、我院劉禹教授團隊等合作，基于激光粉床熔化（Laser powder bed fusion, LPBF）技術開發出一種具有顯著拉伸可回複穩定應變的納米TiC增強NiTi基超彈複合材料（圖1）。不同于傳統制備工藝中NiTi與TiC間的弱/無反應性，高能量密度激光束能夠引發TiC納米顆粒中C原子的強烈擴散行為，并導緻非計量比TiCx和富Ni甚至富Ti金屬間化合物的析出。這些納米析出物沿着相互纏結的位錯網絡結構分布，構築出一種新穎的亞微米尺度胞狀增強結構，并在熔池尺度範圍内形成多層級組織結構特征（圖2）。這種多層級結構能夠為馬氏體相變提供充足形核位點，同時又可抑制位錯滑移。研究顯示，在優化的工藝參數下，納米TiC/NiTi基超彈複合材料在300MPa加載作用下可獲得2.3%的穩定可回複拉伸應變。随後，論文着重探讨了TiC納米顆粒在動态介觀熔池内的動力學特性與富Ni析出相的形核/生長行為，并由此深入揭示了TiC納米顆粒分布特征的工藝相關性與亞微米尺度胞狀增強結構的形成機理。該工作有望為顆粒增強金屬基複合材料激光熔化成形的微觀結構調控與性能提升提供重要的理論基礎和技術途徑。
該成果以“The development of laser powder bed fused nano-TiC/NiTi superelastic composites with hierarchically heterogeneous microstructure and considerable tensile recoverable strain”為題，發表在《Composites Part B: Engineering》（工程類TOP期刊，中科院1區，影響因子11.322）（DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.110457）上。文章第一作者為伟德国际1949始于英国青年教師馬成龍博士。該工作得到了國家自然科學青年基金、NSAF聯合基金重點項目及江蘇省重點研發計劃項目等資助支持。
圖1 TiC/NiTi超彈複合材料的粉體設計/制備與激光粉床熔化成形
圖2 TiC/NiTi超彈複合材料的多層級組織結構與拉伸超彈性能表征
