随着4D打印技术的快速发展，作为典型金属智能材料的NiTi形状记忆合金（shape memory alloys, SMAs）再次成为研究关注的热点。考虑到工程应用环境的日趋复杂化以及对更高性能NiTi SMAs的迫切需求，颗粒增强NiTi基功能复合材料成为其中一类重要发展方向。然而大多数情况下，第二相的添加往往会严重恶化NiTi SMAs的形状记忆效应和超弹性，如何在提升NiTi SMAs力学性能同时较少的影响其功能特性仍然面临显著挑战。
近期，我院武美萍教授团队通过与南京航空航天大学顾冬冬教授团队、卡迪夫大学Rossitza Setchi教授团队、我院刘禹教授团队等合作，基于激光粉床熔化（Laser powder bed fusion, LPBF）技术开发出一种具有显著拉伸可回复稳定应变的纳米TiC增强NiTi基超弹复合材料（图1）。不同于传统制备工艺中NiTi与TiC间的弱/无反应性，高能量密度激光束能够引发TiC纳米颗粒中C原子的强烈扩散行为，并导致非计量比TiCx和富Ni甚至富Ti金属间化合物的析出。这些纳米析出物沿着相互缠结的位错网络结构分布，构筑出一种新颖的亚微米尺度胞状增强结构，并在熔池尺度范围内形成多层级组织结构特征（图2）。这种多层级结构能够为马氏体相变提供充足形核位点，同时又可抑制位错滑移。研究显示，在优化的工艺参数下，纳米TiC/NiTi基超弹复合材料在300MPa加载作用下可获得2.3%的稳定可回复拉伸应变。随后，论文着重探讨了TiC纳米颗粒在动态介观熔池内的动力学特性与富Ni析出相的形核/生长行为，并由此深入揭示了TiC纳米颗粒分布特征的工艺相关性与亚微米尺度胞状增强结构的形成机理。该工作有望为颗粒增强金属基复合材料激光熔化成形的微观结构调控与性能提升提供重要的理论基础和技术途径。
该成果以“The development of laser powder bed fused nano-TiC/NiTi superelastic composites with hierarchically heterogeneous microstructure and considerable tensile recoverable strain”为题，发表在《Composites Part B: Engineering》（工程类TOP期刊，中科院1区，影响因子11.322）（DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.110457）上。文章第一作者为江南大学机械工程学院青年教师马成龙博士。该工作得到了国家自然科学青年基金、NSAF联合基金重点项目及江苏省重点研发计划项目等资助支持。
图1 TiC/NiTi超弹复合材料的粉体设计/制备与激光粉床熔化成形
图2 TiC/NiTi超弹复合材料的多层级组织结构与拉伸超弹性能表征
