最小52μm！μ-LPBF金屬3D打印NiTi合金微器件獲突破，兼具優異力學與形狀記憶性能
時間：2022-06-24 15:22 來源：熊志偉 作者：熊志偉 閱讀：次
2022年6月，中國石油大學（北京）郝世杰教授團隊聯合西澳大學、云耀深維（江蘇）科技有限公司、德國Aixway3d
有限公司在增材制造頂刊《Additive Manufacturing》上在線發表了題為《Micro laser powder bed
fusion of NiTi alloys with superior mechanical property and shape
recovery
function》的研究文章。該文在采用小激光光斑、小粉末粒徑及小鋪粉層厚的基礎上，通過優化組合激光功率與掃描速率，獲得了兼具高致密度與低表面粗糙度的優異成形性能，并從熱歷史的角度分析了μ-LPBF單道掃描與常規LPBF多道重疊掃描的區別，以微器件為對象分析了μ-LPBF制備NiTi合金在制造性能、微觀結構、相變行為及力學性能的綜合特性，揭示了其與常規LPBF制備NiTi合金不同的特性。
所制備的NiTi合金薄壁件可展現最小52 μm的成型壁厚及小于2
μm的表面粗糙度，遠優于現有μ-LPBF制備的其他金屬構件，同時也能展現一定的拉伸塑性（拉伸應變>6%）和形狀記憶效應；所制備的NiTi微晶格和微支架（桿徑尺寸≤100
μm）可以承受50%的壓縮變形不斷裂，同時加熱后形狀回復達98%以上。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22003530?via%3Dihub
研究背景
NiTi形狀記憶合金因具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼性及生物相容性而在功能微器件（最小特征壁厚/桿徑<100 μm）領域展現了極大的應用前景，如微驅動器、微機械傳感器、微醫療器件和植入物、微電子系統器件等。然而，制備此類具有復雜結構或三維結構的NiTi功能微器件需要特殊的制造方式，常規的機加工難以適用此類NiTi合金構件。
激光粉床熔覆（Laser powder bed fusion, LPBF）作為一種粉末床增材制造技術，可以通過逐層制造的方式實現復雜結構的三維制造。相比于其他金屬增材制造方式比如直接能量沉積、電子束選區熔化等，LPBF擁有更高的表面光潔度和更小的制造尺寸。然而，受限于單道熔池的寬度，常規的LPBF所能制造的最小特征尺寸依然≥300 μm。這一數值遠大于微器件所要求的特征尺寸。近年來，μ-LPBF正逐步發展，其是通過縮減一個或多個加工參數比如光斑直徑、粉末粒徑以及鋪粉層厚來實現。盡管有學者以μ-LPBF的名義研究過NiTi合金或者對比過常規LPBF與μ-LPBF在制備316 L不銹鋼材料的不同，但是他們的研究對象依然是塊體材料，并沒有制備出滿足要求的微器件。也有學者制備出了特征尺寸在100 μm以下的復雜結構，涉及到鉬彈簧、不銹鋼螺旋結構等，但這些研究的制造品質不盡如意，表現了較差的表面光潔度和低的致密度。更重要的是，這些微構件并沒有展現一定的力學或功能特性，難以滿足實際應用需求。
此外，在實際生產中，為了獲得更小的制造尺寸，μ-LPBF不僅采用小尺寸加工參數，而且通常采用單軌道激光掃描的方式，這不同于常規LPBF的多軌道重疊掃描，其將會帶來顯著不同的熱歷史，無論是在加熱熔化或是冷卻凝固過程。熱歷史的不同必然會帶來微觀組織、成分分布、相變等方面的不同，而目前尚缺乏以此為視角的研究，也缺乏高質量微器件的成功制備。
創新點
本研究從掃描模式和熱歷史角度，以NiTi微器件為研究對象，綜合探究了μ-LPBF制備NiTi合金的熱歷史特征、制造性能、材料微觀組織與相變行為，揭示了采用μ-LPBF制備100 μm以下NiTi合金構件的內部微觀特征與宏觀力學/記憶性能，并制備了一系列兼具優異力學與形狀回復性能的NiTi功能微器件。
圖文簡述
△圖1. 常規LPBF與μ-LPBF在掃描模式和內部某點熱歷史的區別。
常規LPBF制備樣品采用多軌道重疊掃描，內部任意一點會經歷多次重復加熱熔化-冷卻凝固，以及復雜的各個方向再加熱過程；而μ-LPBF制備過程中因激光單道掃描，重熔僅發生在層間建造方向，層內僅一次熔化凝固過程，其內部任意一點經歷的重熔再加熱很弱。而且極小的薄壁特征下，周圍粉末作為散熱介質的影響也被增大。這些熱歷史的區別對于成分分布、晶粒尺寸、析出情況、組織形貌等均有可能產生影響。
△圖2. μ-LPBF采用的小粒徑NiTi粉末表征。
本研究采用了粒徑為5.8-19.6 μm的NiTi粉末，光斑直徑為22 μm，鋪粉層厚為10 μm。以功率和速率為變量設計一組正交實驗摸索最佳參數窗口，并探究μ-LPBF下工藝參數對薄壁件成形壁厚、粗糙度、致密度、相變、力學等多方面的影響。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22003530?via%3Dihub
研究背景
NiTi形狀記憶合金因具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼性及生物相容性而在功能微器件（最小特征壁厚/桿徑<100 μm）領域展現了極大的應用前景，如微驅動器、微機械傳感器、微醫療器件和植入物、微電子系統器件等。然而，制備此類具有復雜結構或三維結構的NiTi功能微器件需要特殊的制造方式，常規的機加工難以適用此類NiTi合金構件。
激光粉床熔覆（Laser powder bed fusion, LPBF）作為一種粉末床增材制造技術，可以通過逐層制造的方式實現復雜結構的三維制造。相比于其他金屬增材制造方式比如直接能量沉積、電子束選區熔化等，LPBF擁有更高的表面光潔度和更小的制造尺寸。然而，受限于單道熔池的寬度，常規的LPBF所能制造的最小特征尺寸依然≥300 μm。這一數值遠大于微器件所要求的特征尺寸。近年來，μ-LPBF正逐步發展，其是通過縮減一個或多個加工參數比如光斑直徑、粉末粒徑以及鋪粉層厚來實現。盡管有學者以μ-LPBF的名義研究過NiTi合金或者對比過常規LPBF與μ-LPBF在制備316 L不銹鋼材料的不同，但是他們的研究對象依然是塊體材料，并沒有制備出滿足要求的微器件。也有學者制備出了特征尺寸在100 μm以下的復雜結構，涉及到鉬彈簧、不銹鋼螺旋結構等，但這些研究的制造品質不盡如意，表現了較差的表面光潔度和低的致密度。更重要的是，這些微構件并沒有展現一定的力學或功能特性，難以滿足實際應用需求。
此外，在實際生產中，為了獲得更小的制造尺寸，μ-LPBF不僅采用小尺寸加工參數，而且通常采用單軌道激光掃描的方式，這不同于常規LPBF的多軌道重疊掃描，其將會帶來顯著不同的熱歷史，無論是在加熱熔化或是冷卻凝固過程。熱歷史的不同必然會帶來微觀組織、成分分布、相變等方面的不同，而目前尚缺乏以此為視角的研究，也缺乏高質量微器件的成功制備。
創新點
本研究從掃描模式和熱歷史角度，以NiTi微器件為研究對象，綜合探究了μ-LPBF制備NiTi合金的熱歷史特征、制造性能、材料微觀組織與相變行為，揭示了采用μ-LPBF制備100 μm以下NiTi合金構件的內部微觀特征與宏觀力學/記憶性能，并制備了一系列兼具優異力學與形狀回復性能的NiTi功能微器件。
圖文簡述
△圖1. 常規LPBF與μ-LPBF在掃描模式和內部某點熱歷史的區別。
常規LPBF制備樣品采用多軌道重疊掃描，內部任意一點會經歷多次重復加熱熔化-冷卻凝固，以及復雜的各個方向再加熱過程；而μ-LPBF制備過程中因激光單道掃描，重熔僅發生在層間建造方向，層內僅一次熔化凝固過程，其內部任意一點經歷的重熔再加熱很弱。而且極小的薄壁特征下，周圍粉末作為散熱介質的影響也被增大。這些熱歷史的區別對于成分分布、晶粒尺寸、析出情況、組織形貌等均有可能產生影響。
△圖2. μ-LPBF采用的小粒徑NiTi粉末表征。
本研究采用了粒徑為5.8-19.6 μm的NiTi粉末，光斑直徑為22 μm，鋪粉層厚為10 μm。以功率和速率為變量設計一組正交實驗摸索最佳參數窗口，并探究μ-LPBF下工藝參數對薄壁件成形壁厚、粗糙度、致密度、相變、力學等多方面的影響。
△圖3. 本文所采用的激光單道掃描方式示意圖及制備的多種NiTi合金微器件。
△圖5. 不同激光功率和掃描速率組合下的制造性能，包括成形壁厚、相對致密度、表面粗糙度。
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