引用论文
Long Chen, João Pedro Oliveira, Xi Yan, Bowen Pang, Wenchao Ke, Jiajia Shen, Fissha Biruke Teshome, Norbert Schell, Naixun Zhou, Bei Peng, Zhi Zeng. Microstructure and Phase Transformation Behavior of NiTiCu Shape Memory Alloys Produced Using Twin-Wire Arc Additive Manufacturing. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 2, 2024, 200132.
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200132.
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1研究背景及目的
NiTi基形状记忆合金由于具有良好的形状记忆效应和超弹性，在智能制造等领域有着广泛应用。然而NiTi二元合金相变滞后较宽（25~50℃），作为驱动元件时灵敏度低、响应速度慢。通过引入Cu元素制备NiTiCu三元合金能够有效缩小相变滞后（8～15℃）。因此本研究目的为通过双丝电弧增材制造（T-WAAM）技术高效制备NiTiCu合金来解决相变滞后宽的问题。
2论文亮点
（1）利用T-WAAM技术实现了NiTi和Cu的原位合金化，成功制备了相变滞后窄（7.1℃）的NiTiCu合金。
（2）基于高能同步X射线衍射（SXRD）对沉积态NiTiCu合金进行了物相结构分析，确定了基体和析出相的体积分数和晶格参数。
（3）分析了沉积态NiTiCu合金的微观组织、化学成分、力学性能和相变行为，验证了元素的准确均匀性。
3试验方法
本研究以NiTi丝和Cu丝为原料，采用T-WAAM技术制备了NiTiCu沉积薄壁。T-WAAM装置主要由ABB 1410六轴机器人、超高频脉冲TIG焊接电源及焊枪、双丝送丝系统和氩气屏蔽罩组成。首先采用直流TIG对TA1基板进行预热，预热电流为100A，预热焊枪移动速度为100mm/min。高纯氩气(99.99%)气流量为15L/min。预热后，根据Cu预设比例设置NiTi丝和Cu丝的送丝速度分别为2200和240mm/min，利用超高频脉冲TIG热源在基板上沉积NiTiCu合金。采用OM、SEM、EDS对沉积态NiTiCu合金的微观组织和化学成分进行了分析；利用SXRD和DSC分别表征了NiTiCu合金的物相结构和相变行为；对沉积态NiTiCu合金的显微硬度和拉伸性能进行了测试。
Fig. 1. Experimental methods: (a) Setup for T-WAAM process; (b) Schematic representation of SXRD experiment.
4结果
通过T-WAAM制备的沉积态NiTiCu合金成形质量良好，其微观组织根据沉积材料内部位置的不同可分为柱状、等轴状和针状晶粒。显微硬度从第一层到第三层逐渐升高，平均显微硬度值分别为320.9、371.3和416.4HV0.5。沉积态NiTiCu第二层中心的Ti、Ni、Cu含量分别为44.33，34.86，20.80at.%，根据双丝送丝速度比，Cu的预设比例为20at.%，可以确定Cu含量与预设比例是一致的。基体B2和B19相的体积分数分别为57.9%和39.2%，析出相CuTi、Cu2Ti和Ti(Ni, Cu)2的体积分数分别为1.35%、0.97%和0.58%，表明B2和B19相在NiTiCu中占主导地位。根据计算的晶格参数，确定马氏体相为B19晶体结构。沉积态NiTiCu的拉伸强度为232±11MPa，断裂应变为3.7%±0.7%。NiTiCu的Ms值比NiTi的Ms值高78℃，相变滞后从24.4℃缩小为7.1℃，表明Cu的加入提高了相变温度并且窄化了相变滞后。
Fig. 2. SXRD pattern of as-deposited NiTiCu: (a) Diffractogram after full integration along azimuthal angle; (b) Rietveld refinement plot.
Fig. 3. DSC results of NiTi wire and as-deposited NiTiCu.
5结论
沉积态NiTiCu合金成形良好，其微观组织表现为柱状、等轴状和针状。显微硬度从第一层到第三层逐渐升高。Cu含量为20.80at.%，与预设比例基本一致。Cu基析出相形成表明成功实现了Cu与NiTi的原位合金化。基于SXRD确定了B2和B19相的主导地位，以及马氏体相为B19晶体结构，并且存在择优取向。高的Cu含量及富Cu脆性相导致力学性能较差。沉积态NiTiCu只经历了B2-B19一步相变，且Cu的加入使相变滞后从24.4℃缩小到7.1℃，验证了利用T-WAAM技术制备窄相变滞后NiTiCu合金的可行性。
6前景与应用
本研究提供了一种利用T-WAAM制备窄相变滞后NiTiCu合金的新方法，基于此方法可制备不同第三元素含量的NiTi基三元合金，拓展了T-WAAM在调控NiTi基三元合金的相变行为方面的潜力，为利用T-WAAM技术高效制备相变行为可控的NiTi基三元合金奠定了基础，有望实现在智能机器人和复杂驱动装置等领域的创新应用。
关于团队
作者团队介绍
曾志（团队带头人），电子科技大学教授、博士生导师。四川省杰出青年科学基金获得者，入选天府英才计划、四川省科学和技术带头人后备人选，中国焊接学会焊接力学及结构设计与制造专业委员会委员。主持国家自然科学基金、国防基础科研项目、军委装发部共用技术、领域基金、四川省重大科技专项等20余项国家级/省部级科研项目。在Additive Manufacturing、Acta Materialia、Materials & Design等期刊发表SCI论文80余篇（ESI热点/高被引论文8篇），他引1500余次；授权国家发明专利16项，软件著作权4项；获四川省科技进步二等奖2项和三等奖1项。
陈龙（第一作者），电子科技大学机械与电气工程学院博士研究生，主要研究方向为电弧增材制造NiTi基形状记忆合金工艺研究与激光加工改性等。先后在Additive Manufacturing、Journal of Manufacturing Processes、Materials and Design、航空制造技术等国内外期刊发表论文5篇，作为参与人已授权发明专利5项，参与国家自然基金面上项目和省部级项目等课题3项。
团队主要研究方向：轻质合金、形状记忆合金的增材制造与激光加工，数值仿真与建模。
近年团队发表文章
[1]W.C. Ke, J.P. Oliveira, B.Q. Cong, S.S. Ao, Z.W. Qi, B. Peng, Z. Zeng*. Multi-layer deposition mechanism in ultra high-frequency pulsed wire arc additive manufacturing (WAAM) of NiTi shape memory alloys. Additive Manufacturing. 2022, 50, 102513. （ESI热点/高被引论文）
[2]Z. Zeng, B.Q Cong, J.P. Oliveira, W.C. Ke, N. Schell, B. Peng, Z.W. Qi, F.G Ge, W. Zhang, S.S. Ao. Wire and arc additive manufacturing of a Ni-rich NiTi shape memory alloy: microstructure and mechanical properties. Additive Manufacturing. 2020, 32, 101051. （ESI高被引论文）
[3]W.C. Ke, W.T. Yan, J.P. Oliveira, B.W. Pang, L. Chen, Y.M. Wu, F.B. Teshome, J.J. Shen, L.W. Wang, C.W. Tan, B. Peng, X.GH Song, Z. Zeng*. Thermal-fluid behavior, microstructure and mechanical properties in liquid bridge transfer mode during directed energy deposition-arc additive manufacturing – insights using NiTi as a model alloy. Additive Manufacturing. 2023, 77, 103807.
[4]L.W. Wang, T. Wu, D.L Wang, Z.M. Liang, X. Yang. Z.Z. Peng, Y. Liu, Y.M. Liang, Z. Zeng*, J.P. Oliveira. A novel heterogeneous multi-wire indirect arc directed energy deposition for in-situ synthesis Al-Zn-Mg-Cu alloy: Process, microstructure and mechanical properties. Additive Manufacturing. 2023, 72, 103639. （ESI热点/高被引论文）
[5]X.D. Zuo, W. Zhang, Y. Chen, J.P. Oliveira, Z. Zeng, Y. Li, Z. Luo, S.S. Ao. Wire-based directed energy deposition of NiTiTa shape memory alloys: Microstructure, phase transformation, electrochemistry, X-ray visibility and mechanical properties. Additive Manufacturing. 2022, 59, 103115. （ESI热点/高被引论文）
[6]F.B. Teshome, B. Peng, J.P. Oliveira, J.J. Shen, S.S. Ao, H.Y. Li, L. Chen, C.W. Tan, X.G. Song, Z. Zeng*. Role of Pd interlayer on NiTi to Ti6Al4V laser welded joints: microstructure evolution and strengthening mechanisms. Materials and Design. 2023, 228, 111845. （ESI高被引论文）
[7]W.C. Ke, Z. Zeng*, J.P. Oliveira, B. Peng, J.J. Shen, C.W. Tan, X.G. Song, W.T. Yan*. Heat transfer and melt flow of keyhole, transition and conduction modes in laser beam oscillating welding. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023, 203, 123821. （ESI高被引论文）
[8]W. Zhang, S.S. Ao, J.P. Oliveira, C.J. Li, Z. Zeng*, A.Q. Wang, Z. Luo. On the metallurgical joining mechanism during ultrasonic spot welding of NiTi using a Cu interlayer. Scripta Materialia. 2020, 178, 414-417.
[9]W.C. Ke, X.Z. Bu, J.P. Oliveira, W.G. Xu, Z.M. Wang, Z. Zeng*. Modeling and numerical study of keyhole-induced porosity formation in laser beam oscillating welding of 5A06 aluminum alloy. Optics & Laser Technology, 2021, 133, 106540. （ESI高被引论文）
[10]Z. Zeng, J.P. Oliveira, S.S. Ao, W. Zhang, J.M. Cui, S. Yan, B. Peng. Fabrication and characterization of a novel bionic manipulator using a laser processed NiTi shape memory alloy. Optics & Laser Technology. 2020, 122, 105876.
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作 者：陈 龙
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