国外研发出新型激光粉末床融合形状记忆合金，超弹性大大提升

激光粉末床融合（Laser powder bed fusion，LPBF）技术是一种增材制造技术。这种技术类似于聚合物3D打印，使用激光一层一层地熔化金属或合金粉末。通过重复这种分层操作，扫描相同或不同的图案，直到形成所需的结构。

近年来，激光粉末床融合已经成为了一种在制造业中颇具潜力的3D打印技术，并且在生物医学和航空航天领域的应用很有吸引力。今天，WKW·激光为大家分享两则激光粉末床融合技术领域的新进展：

激光粉末床融合技术制造的超弹性形状记忆合金

激光粉末床融合技术在制造具有复杂几何形状的镍钛形状记忆合金时总是能大展身手，为后者的快速制造或成型提供了一种有效而高效的方法。不过，它却很少表现出使用镍钛形状记忆合金特定应用所需的超弹性(superelasticity)。在3D打印过程中产生的缺陷和施加在材料上的变化，让3D打印镍钛难以拥有超弹性。

日前，德克萨斯农工大学（Texas A&M University，TAMU）的研究人员通过激光粉末床融合技术制造了一种形状记忆合金。神奇的是，这种合金展示了“卓越的拉伸超弹性”，几乎是已有文献中报道的3D打印最大超弹性的两倍。

图片来源：TAMU

由于镍钛形状记忆合金能够在加热或去除施加的应力后恢复到原来的形状，因此它能够适用于各种应用，比如用于生物医学和航空航天领域的支架、植入物、外科设备和飞机机翼。

该论文的第一作者Lei Xue博士指出：“形状记忆合金是一种能记忆高温形状的智能材料。尽管这类合金可以以多种方式使用，但将其制造成复杂的形状需要进行微调，以确保材料表现出所需的性能。”

大多数镍钛材料无法承受目前的激光粉末床熔接工艺，这往往会导致印刷缺陷，如因热梯度大而产生的气孔、翘曲或分层，以及因氧化而产生的脆性。此外，激光可以改变材料的成分，因为打印过程中会发生蒸发。

为了克服这个问题，研究人员使用了他们在之前的研究中创建的优化框架，该框架可以确定最佳工艺参数，以实现无缺陷结构。研究人员制造的镍钛零件在没有制造后热处理的情况下，在室温下保持了6%的拉伸超弹性。这种超弹性水平几乎是在以往文献中记录的3D打印合金的两倍。

通过3D打印技术生产形状记忆合金的能力以及提升的超弹性，意味着这种材料更有能力处理应用变形。使用3D打印来开发这些优质材料，将减少制造过程的成本和时间。

未来，研究人员希望他们的发现将带来镍钛形状记忆合金在生物医学和航空航天应用的更多使用。Lei Xue博士补充称：“如果我们可以调整晶体结构和微观结构，这些形状记忆合金的应用将会多得多。”

这项研究由美国陆军研究实验室、国家优先研究计划拨款、卡塔尔国家研究基金和美国国家科学基金会拨款资助，成果发表在本月的《材料学报》（Acta Materialia）上。

激光超声波检测LPBF金属3D打印中产生的缺陷

激光粉末床融合这一领域近期获得的进展还不止于此。近日，Lawrence Livermore国家实验室（LLNL）研究人员提出了一种利用表面声波(SAW)的诊断方法，该方法由基于激光的超声产生，可以揭示激光粉末床熔合金属3D打印中的微小表面和亚表面缺陷。

研究团队称，他们开发的系统可以有效、准确地评估激光在激光粉末床熔合3D打印过程中液化金属粉末的轨迹。通过散射来自熔体线、空洞和表面特征的声波能量，可以实现实时检测、更快地获取和处理数据。研究小组使用光学显微镜和X射线计算机断层扫描(CT)验证了这一发现。

图片来源：LLNL

根据研究人员的说法，由于它们的表面和近表面灵敏度，SAW非常适合于在激光粉末床融合3D打印中表征熔体线。为了测试这种潜力，LLNL团队进行了实验，让光纤激光器直接进入真空室并产生激光熔化线，并使用100瓦、150瓦和350瓦的功率激光器生产钛合金样品然后进行分析。之后，他们开发了一种产生和探测表面声波的方法，使用脉冲激光产生超声波，并用光折变激光干涉仪测量位移。

这项工作由实验室指导研究与发展(LDRD)项目资助，相关论文近期发表在《科学报告》（Scientific Reports）上。