徐连勇教授课题组研究进展：4D打印铜基形状记忆合金

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形状记忆合金（Shape memory alloys, SMAs）基于有序相的热弹性马氏体相变，可以在外部能场（应力场，温度场和磁场等）激励下自发实现原始形状的可逆变形，是一种集感知与驱动一体化的先进智能材料。受益于其独特的形状记忆效应和超弹性行为，形状记忆合金目前被广泛应用于航空航天、电子通信、生物医疗、能源化工、工业制造和日常生活的诸多领域。单晶Cu基形状记忆合金已被证明具有优异的形状记忆性能，但多晶组织的Cu基形状记忆合金往往受限于粗大的晶粒，高弹性各向异性和薄弱的晶界，表现出高沿晶脆性和低疲劳强度，极大地限制了其大规模推广应用。将增材制造技术和形状记忆合金相结合实现形状记忆合金的4D功能定制已成为相关领域的重要发展趋势。尤其是针对Cu基形状记忆合金，增材制造技术中极高的冷却速度可以有效实现晶粒细化，有望彻底改善Cu基形状记忆合金的高脆性并进一步提高力学性能。
近日，天津大学徐连勇教授课题组利用激光粉末床熔化技术成功实现了高性能CuAlNi形状记忆合金的精准控形控性和有效功能响应。

         研究表明，增材制造成形过程中熔池经历重熔激光的作用，凝固过程涉及固相重熔，有序-无序转变和马氏体转变多个过程，沉积态微观组织由柱状母相内部形核的高度协调的马氏体变体群组成，同时微观元素偏析诱导了2H型马氏体和板条内2H马氏体畴的形成。18R马氏体板条间分布高密度超结构本征层错，板条间互为孪晶关系。
针对沉积态Cu基形状记忆合金独特的微观组织和变形响应，该团队对合金在变形过程中拉压各向异性的变形机制进行了详细研究，发现孪生变形主导了全部变形过程并在不同阶段表现出各异的响应方式。
         通过前期工艺设计筛选出最优工艺参数为激光功率300 W,线间距100mm，曝光时间66.7ms，辅以选区激光重熔技术，成功制备出高性能沉积态铜基形状记忆合金。试样的马氏体相变温度达到130℃，比传统NiTi合金提升60℃。极限抗压强度可到达1593±10 MPa,断裂应变为23%；形状记忆效应测试显示，试样可以在小于6%应变的条件下实现完全的形状记忆恢复，最大形状回复应变可达3.39%。
         该工作为制备高表面质量和优良的力学/功能特性的高性能铜基形状记忆合金提供了新的思路。目前该工作发表在J. Mater. Sci. Technol.上，题为“Deformation mechanism of Cu-Al-Ni shape memory alloys fabricated via laser powder bed fusion: Tension-compression asymmetry” （背底封面文章）和“Process-microstructure-properties of CuAlNi shape memory alloys fabricated by laser powder bed fusion”，指导老师为韩永典教授和徐连勇教授，第一作者为张颜坤博士生。
          引用检索：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.032
          https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.12.037
          文章来源：天津大学
          徐连勇，天津大学教授、博导，2007年3月在天津大学获博士学位，美国维吉尼亚理工大学和新加坡南洋理工大学访问学者，2014年6月至今天津大学教授。现任天津大学材料学院材料加工系主任、焊接与先进制造研究所所长、天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室固定人员，中国焊接学会常务理事、焊接力学及结构设计与制造专委会主任委员、青年工作委员会副主任委员，国际焊接学会焊接接头性能与断裂预防专委会、压力容器与管道专委会中国代表，中国电机工程学会电站焊接专委会委员、神华国华电力公司院士专家工作站进站专家。研究方向为焊接力学及结构设计与制造，聚焦高低温、疲劳、腐蚀等极端复杂环境条件下能源装备，在焊接结构强度设计、缺陷断裂评定与寿命预测、高性能制造等方面取得创新成果。主持国家重点研发计划、国家海洋战略性新兴产业专项、国家自然科学基金、国家核科技重大专项子课题等15项国家及省部级课题，发表SCI论文110余篇，SCI他引600余次，获授权发明专利23项（美国1项）。研究成果在我国海洋石油、超超临界火电、先进核电等领域大量应用，获中国机械工业科技进步一等奖1项（排名第1）、天津市科技进步一等奖2项（排名第1）、教育部科技进步一等奖1项（排名第2）以及省部级科技进步二等奖3项，入选教育部新世纪优秀人才、天津市131第一次层次人才等支持计划，获第十三届天津青年科技奖。