1、序言

NiTi状态影象合金拥有优异的状态影象效应和超弹性效应，同时拥有弹性模量低、耐磨性高、抗侵蚀能力优异、加工成形性优良、抗委顿个性和生物相容性好等良好机能，因而宽泛利用于航空航天工程、能源工程和医学工程领域[1-26]。。增材制作（3D打。。┘际跏且恢质只暮旯、微观和纳观一体化节制的集成制作步骤，通过节制系统将线材、粉材、棒材或液态资料沿着数字化零件截面进行填充成形，最终数字化零件截面层层堆积而形成齐全零件，相较于传统等材和减材加工方式，增材制作技术拥有加工工序单一、加工周期短、资料利用率高和可实现复杂拓扑结构急剧制作的加工优势[27-31]。。金属激光增材制作过程是高能激光束、金属粉末、金属溶解熔池和已凝固金属相互作用的耦合过程。。已有钻研批注，激光增材制作NiTi状态影象合金拥有微观组织晶粒藐小、微观组织可控、相变过程可控、力学和职能个性可控等利益，可得到优异的抗委顿性、拉伸延展性、窄滞后超弹性、宽滞后超弹性和大弹热效应[26，32-35]。。凭据状态影象合金的利用领域和工况，通过调整增材制作工艺参数及非平衡凝固前提，可得到面向特定力学和职能特 性需要的NiTi状态影象合金资料和零部件。。

NiTi状态影象合金作为智能资料，可实现外界激励的急剧响应和状态变形，满足智能结构对响应速度和效能的要求，新兴的4D打印技术是智能资料的增材制作技术，将NiTi状态影象合金、智能结构、外界驱动机制和增材制作技术相结合，增材制作NiTi合金零件可随着功夫和外界刺激进行状态、机能和职能变动，将3D打印零件增长一个功夫维度而形成4D结构。。4D打印技术可能实现复杂智能结构的近净成形制作，为工业产品的设计和制作带来了新的理念，在生物医疗、航空航天和智能器件方面拥有巨大潜在利用价值[36-38]。。目前，增材制作NiTi状态影象合金的科学钻研处于起步阶段，针对NiTi合金急剧非平衡凝固过程的微观组织和机能节制还未美满。。

2、NiTi状态影象合金的相变

金属Ni、Ti元素可形成一个复杂二元合金系统，近等原子比NiTi合金的熔点为1310℃，OTSUKA和REN修改的NiTi二元合金相图[1]如图1所示，二元合金系统含有两个亚稳态金属间化合物Ti2Ni3和Ti3Ni4，三个不变金属间化合物TiNi、TiNi3和Ti2Ni。。NiTi合金的状态影象效应和超弹性行为由TiNi（也称为NiTi）相实现，TiNi相为NiTi合金的主相，晶格为B2结构，富钛NiTi合金溶化度随温度维持不变，第二析出相常为Ti2Ni相，B2相对Ni元素由很强的过固溶度，富镍NiTi合金溶化度随温度降低而迅速降落，第二析出相常为亚稳相Ti2Ni3和Ti3Ni4，最终不变相为TiNi3。。Ti2Ni3和Ti3Ni4两个析出相对NiTi状态影象合金的相变温度、相变蹊径、状态影象效应、超弹性行为和抗委顿能力拥有直接影响。。

NiTi状态影象合金的马氏体相变类型、相变蹊径、析出相和相变机理极其丰硕。。外界的温度和应力的变动均可诱发NiTi状态影象合金中的热弹性马氏体相变，导致其在分歧的外界前提下出现出截然分歧的力学响应，NiTi状态影象合金的应力-应变-温度三者关系曲线如图2所示。。当温度低于奥氏体转变起头温度（As）时，NiTi合金的微观组织为孪晶马氏体（Mt），在外界应力的作用下，孪晶马氏体产生弹性变形；；当外界应力达到相变起头应力（σs）时，NiTi合金产生孪晶马氏体（Mt）的去孪晶行为而造成去孪晶马氏体（Md）；；当外界应力达到相变实现应力（σf）时，产生去孪晶马氏体的弹塑性变形；；当卸载外界应力时，NiTi合金的残存应变为εmax；；当资料加热至奥氏体相变起头温度时，去孪晶马氏体产生相变，资料处于奥氏体，将变形后的NiTi状态影象合金进行加热而复原初始状态的过程为状态影象效应。。当温度高于奥氏体转变起头温度（As）时，NiTi合金处于奥氏体状态（A），当外界应力达到相变起头应力（σms）时，NiTi合金由奥氏体状态转变为去孪晶马氏体（Md）状态；；相变实现后持续产生去孪晶马氏体（Md）的弹性变形；；当卸载外界应力时，NiTi合金由去孪晶马氏体（Md）转变为奥氏体状态，将变形后的NiTi状态影象合金进行卸载后复原初始状态的过程为超弹性行为。。

3、NiTi状态影象合金的制备

NiTi状态影象合金的制备步骤重要有传统熔炼法、固态扩散法、自舒展高温合成法和金属注射成形法[8]。。传统熔炼法是制备NiTi合金的重要工艺，NiTi合金中Ti元素拥有高度化学活度，在熔炼制作过程中极易与C、H、O、N等元素产生反映而引入杂质，对马氏体相变过程和微观组织造成影响，同时熔炼过程易存在成分不均匀的凝固缺点，因而传统熔炼法存在杂质元素较多和成分散布均匀性差的工艺弊端。。固态扩散法、自舒展高温合成法和金属注射成形法都属于粉末冶金工艺领域，将Ni、Ti两种金属元素通过固态扩散的方式进行合金化，粉末冶金法可解决传统熔炼法成分不均匀的凝固缺点，借助粉末冶金模具可制备拥有特殊状态的零部件或多孔结构件，但是粉末冶金法拥有杂质较多和成本较高的弊端。。

机械加工、塑性成形、铸造、轧制、拉拔和热处置等冷热加工步骤属于对NiTi合金原始资料的二次加工处置，凭据NiTi合金零件的服役特点进行有关的加工和热处置。。在冷加工处置过程中，易导致NiTi合金温度升高，产生屈服强度增大和加工硬化景象，造成资料延展性降低和冷加工能力变差；；在热加工处置工艺中，NiTi合金拥有优良的高温延展性，资料屈服强度随温度的升高而降低，热加工过程的延展性增大，易于进行热加工制作，但由于Ti元素剧烈的氧化作用而产生第二相杂质，从而导致资料脆化而产生开裂。。

综上所述，需索求一种低成本、高效能制备高机能NiTi合金的工艺步骤，同时削减二次机械加工和冷热处置工艺。。

4、NiTi状态影象合金的利用

NiTi状态影象合金拥有优异的状态影象效应和超弹性效应，是状态影象合金中利用最宽泛和机能最不变的一类合金，已宽泛利用于生物医疗、航空航天、机械制作、土木工程、自动化节制和汽车工业等领域[1，8]。。凭据其工作道理，NiTi合金的工程领域利用可分为以下三类。。

（1）状态影象效应的利用诱发马氏体相变带来的状态影象效应，对变形后的NiTi合金进行升温处置而使其复原至初始状态，可利用于制作紧固衔接件、密封结构件、驱动器、散热器、热敏感应器和智能节制元件等领域。。

（2）超弹性行为的利用应力诱发马氏体相变带来的超弹性行为，在预防资料产生塑性变形的前提下进行往复加载卸载循环，可利用于恒弹力结构、自复位结构和超弹性结构件。。

（3）高阻尼个性的利用利用其抗委顿个性、不变靠得住性和外界前提引发的马氏体相变进行自动或被动耗能减振，可利用于构筑结构中的抗振阻尼器。。

NiTi状态影象合金的抗侵蚀和优良生物相容性使其在生物医疗领域拥有巨大利用空间，已宽泛利用于牙科、骨科、矫形外科、微创医疗器械和染指医疗器械等医学领域。。NiTi合金在骨科植入体领域利用最为成熟，由于NiTi合金拥有靠近人体的弹性模量而用于制作骨组织工程支架和血管支架，其中马氏体状态的弹性模量为28～30GPa，奥氏体状态的弹性模量为75～83GPa，可预防应力遮蔽对人体组织或骨骼造成败坏，NiTi合金可在体内维持超弹性状态而起到支持力的作用，同时其变形抗力适中、可复原变形量大和抗委顿机能优越，可持久植入人体接受人体带来的循环载荷而不产生分裂失效[39，40]。。

5、NiTi状态影象合金的钻研近况

国内外学者对NiTi合金的制备工艺、热处置工艺、相变类型、热相变循环、力学机能、超弹性行为、状态影象效应及影响成分等基础理论方面做了全面钻研，同时在基于NiTi合金的薄膜资料、高温资料、复合伙料、多孔资料、宽/窄滞应力滞后资料、超细晶资料和低弹高模量资料开发和工程利用等方面进行了深刻的钻研。。上海交通大学的徐祖耀教授从20世纪80年代起头进行了状态影象资料的马氏体相变理论、制备、加工和利用钻研，为国内状态影象合金的发展奠定了理论和利用基。。枪谧刺跋蠛辖鹱柿献暄械钠舴⒄遊41]；；哈尔滨工业大学的赵连城和北京大学的郑玉峰教授团队在NiTi合金的工程、生物医学利用和新型超细晶资料开发方面进行了系统的钻研，将NiTi合金丝材和多孔NiTi合金等成功利用于医疗领域[7，9]；；日本国立资料科学钻研所的OTSUKA教授和西安交通大学的任晓兵教授团队在NiTi合金的微观和纳观结构钻研方面进行了系统钻研和总结，初次发现状态影象合金中纳米应变畴冻结状态的应变玻璃态[1，42-45]，诠氏缢马氏体相变领域一些持久无法诠释的奇怪景象；；西安交通大学的丁向东和宗洪祥教授团队在基于NiTi合金的纳米结构资料、核壳结构资料、极端环境服役和零滞后资料等方面，通过度子动力学仿照的步骤揭示了马氏体相变的微观机制，援手我们很好理解了相变的微观机制和服役行为[46，47]；；西北工业大学的岳珠峰教授团队解决了复杂加载工况前提下的跨微观-介观-宏观多个尺度的本构模型[48]；；西南交通大学的康国政教授团队针对状态影象合金开发出基于晶体塑性理论的热-力耦合循环本构模型，可正确预测热-力耦合工况前提下的超弹性行为[49，50]；；香港科技大学的孙庆平教授团队在NiTi合金的纳米晶状态下的微观组织、热滞行为、委顿个性、晶格特点和力学行为进行了系统钻研，为纳米晶NiTi合金的利用提供了充分的理论基础[51-53]；；电子科技大学曾志教授团队在柔性可变翼面设计利用领域进行了深刻钻研，设计出基于NiTi弹簧为基础的变形机翼结构,相对于传统机翼结构能有效提升飞机的气动机能[54]；；中国科学技术大学的杨杰教授团队将NiTi合金利用于柔性机械人和驱动器中，可有效实现仿生软体机械人的活动节制[55，56]。。

综上所述，传统NiTi状态影象合金的基础和利用理论已经较为成熟，国内外学者针对传统工艺所制备的NiTi状态影象合金相变个性、力学个性和职能个性做了系统钻研，但近年来的增材制作技术在NiTi合金制备方面展示出诸多优势，增材制作NiTi合金拥有高度可控职能和力学个性、高委顿机能和超细晶微观组织等优势，但增材制作NiTi合金的理论和利用钻研处于起步阶段，针对急剧非平衡凝固前提下的NiTi合金相变理论、机能调控机制和工程利用钻研较少。。

6、增材制作NiTi状态影象合金的钻研近况

增材制作NiTi状态影象合金的工艺重要有激光选区溶解（SelectiveLaserMelting）、电子束溶解（ElectronBeamMelting）、激光熔覆沉积技术（LaserEngineeredNetShaping）和电弧熔丝增材制作（WireArcAdditiveManufacturing）[57-61]。。国内外钻研学者针对增材制作NiTi状态影象合金的钻研重要集中在NiTi合金的微观组织、相变行为、力学机能、弹热效应和4D打印钻研等5个方面。。值妥贴心的是，国外学者在增材制作NiTi合金的钻研中抢占了先机，但国内学者在增材制作NiTi合金方面的钻研在近两年出现井喷式的增长，并涌现出一大批优良的学术成就，尤其在获得优异NiTi合金力学机能、弹热效应和4D打印钻研方面，望国内优良学者可能在能力域获得更鲜丽的成就，同时携带国内增材制作技术的发展，发展增材制作资料和零件的全面产业化利用。。

6.1微观组织钻研

增材制作NiTi状态影象合金的微观组织钻研重要在以下方面：：激光扫描轨迹描摹、熔池描摹、断口描摹、织构特点、Ti3Ni4和Ti2Ni等析出相散布特点、析出相或马氏体相与母相的共格关系、纳米晶和非晶组织特点、马氏体孪晶和位错散布。。漯河航空航天大学顾冬冬教授团队对增材制作NiTi合金进行了系统钻研，索求了增材制作工艺对微观组织描摹、成形过程温度场和熔池状态的影响[62]。；；侠砉ご笱У难钣狼客哦油üす馊鄹驳牟街柚票赋鯰iNi-TiN梯度资料，为合成NiTi新型结构合金提供了一种新型工艺步骤[63]。。北京科技大学的从道永教授团队制备出可通过增材制作工艺参数进行机能调控的NiTi合金[64]，其微观组织、相变行为、超弹性行为和弹热效应，可通过增材制作的激光扫描参数、热处置参数进行调控，如图3～图6所示。。

6.2相变行为钻研

增材制作NiTi状态影象合金的相变行为钻研重要在以下方面：：增材制作工艺参数对相变蹊径和相变温度的影响、热处置工艺对相变蹊径和相变温度的影响、热循环相变过程的相变温度扭转、热循环相变不变性和状态影象效应。。美国托莱多大学的MOHAMMADElahinia教授课题组和肯塔基大学的HALUKKaraca副教授课题组对热处置工艺参数对增材制作NiTi合金相变过程进行了系统钻研[65-67]，总结了时效温度和时效功夫对NiTi合金的相变蹊径、相变温度和状态影象效应影响机理，为领导增材制作NiTi合金的热处置提供了充分的理论和试验凭据，如图7所示。。

6.3力学机能钻研

增材制作NiTi状态影象合金的力学机能钻研重要在以下方面：：拉伸机能、压缩机能、超弹性行为、超弹性形变循环和抗委顿能力。。北京石油大学的郝世杰教授课题组制备出超过传统工艺制备NiTi合金的拉伸机能[68]，增材制作NiTi合金的拉伸应变达到15.6%，如图8所示。。将力学机能的提高归因于激光扫描战术对外延成长柱状晶描摹的扭转，增材层间的激光扫描蹊径角度差形成了沿着折线成长的柱状晶组织，扭转了资料断裂失效方式，从而提高了NiTi合金的拉伸机能。。

6.4弹热效应钻研

弹热制冷是新型固态制冷技术，与传统蒸气压缩制冷工质相比，镍钛状态影象合金等弹热制冷工质无任何温室气体效应，且弹热效应能量密度显著。。增材制作NiTi状态影象合金的弹热效应钻研重要在以下方面：：增材制作工艺参数对弹热效应的影响、热处置工艺对弹热效应的影响和力学参数对增材制作资料弹热效应的影响。。西北工业大学的黄卫东和林鑫教授团队制备出最大压缩应变为10%的NiTi合金，在逆相变过程中达到最大为－18.6K的制冷温降[69]，如图9a所示。。西安交通大学钱苏昕副教授团队增材制作出拥有纳米复合结构的抗委顿高机能弹热制冷NiTi合金[70]，纳米尺度TiNi3和NiTi晶界产生的界面错位能够成为相造成核点，有效降低必要相变势垒且减小相界面的摩擦耗能，可直接成形柱状、管状、蜂窝状等可利用于弹热制冷回热器的结构，如图9b所示。。

6.5 4D打印钻研

4D打印技术是智能资料的增材制作技术，4D打印技术尚处于钻研初期阶段，所涉及的钻研内容重要关于智能资料增材制作工艺和机能、4D智能结构设计和智能结构驱动机制三个方面，4D打印技术的出现为产品的设计和制作带来了新的理念，使智能结构的近净成形制作成为可能，可实此刻外界驱作为用下的可编程变形，制作出同时拥有职能性和复杂结构性的4D结构件，4D打印技术在生物医疗、航空航天和智能器件方面拥有巨大利用远景，同时在其他领域也拥有潜在利用价值，该技术是处于初期尝试室钻研索求的新兴技术，距离现实工业应器拥有较大距离。。

目前，4D打印结构件拥有服役委顿寿命短、驱动不变性差和驱动精度差的弊端，钻研者在保障4D打印资料的增材制作工艺不变性和4D打印结构件的服役不变性需进行大量钻研，结合数字化设计和制作理念进行4D打印结构-职能-驱动机制-服役不变性的一体化设计，使其在工业领域得到急剧和不变利用。。西安交通大学的陈花玲和李涤尘教授课题组做了4D打印技术的初步钻研索求，华中科技大学的史玉升教授团队和中国地质大学的周燕副教授团队对4D打印技术进行了系统全面的理论和利用钻研[71]，受蝎子缝感触器超敏缝结构的启发，仿生设计出梯度缝结构，成形出拥有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件，钻研成就将智能资料、仿生结构和4D打印有机结合，实现了资料水平上传感-执行一体化，为将来机械人等智能设备的关键器件研发提供了新的思路和蹊径，图10所示为仿生4D打印结构的状态和电阻转化过程。。

7、实现语

增材制作NiTi状态影象合金的科学钻研处于起步阶段，针对NiTi合金急剧非平衡凝固过程的微观组织和机能节制还未美满。。本文系统总结和论述了增材制作NiTi状态影象合金NiTi合金在微观组织、相变行为、力学机能、弹热效应和4D打印等5个方面的钻研进展和钻研不及，值妥贴心的是，国外学者在增材制作NiTi合金的钻研中抢占了先机，但国内学者在增材制作NiTi合金方面的钻研在近两年出现井喷式的增长，并涌现出一大批优良的学术成就，尤其在获得优异NiTi合金力学机能、弹热效应和4D打印钻研方面，望国内优良学者可能在能力域获得更鲜丽的成就，同时携带国内增材制作技术的发展，发展增材制作资料和零件的全面产业化利用钻研。。

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