电弧增材制造制备NiTi/Nb仿生层状异质结构的微观结构演变及力学性能研究

来源：焊接科学

2024年9月3日，吉林大学研究团队在《Materials Characterization》期刊发表最新研究文章“Wire arc additive manufacturing NiTi/Nb bionic laminated heterogeneous structure: Microstructure evolution and mechanical properties”，研究了通过电弧增材制造技术制备NiTi/Nb仿生层状异质结构的微观结构演变及力学性能。

该研究介绍了NiTi/Nb仿生层状异质结构（LHS）的制备，使用不同的层厚比，通过电弧增材制造技术，将具有良好塑性的Nb与具有功能特性的NiTi合金相结合。研究分析了NiTi和Nb层的界面成分、微观结构以及力学性能，揭示了异质共晶微观结构的形成机制及其增强强度与塑性协同的机理。

工作亮点

使用电弧增材制造技术制备NiTi/Nb仿生层状异质结构。

探讨了不同层厚比对微观结构及界面成分分布的影响。

研究了NiTi/Nb结构中异质共晶微观结构的形成及其对力学性能的影响。

实验方法
该研究采用多丝电弧增材制造（MWAAM）系统，使用NiTi和Nb金属丝作为原材料，通过控制工艺参数（如电流、速度等），交替沉积NiTi和Nb层，形成仿生层状异质结构。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等技术，研究了沉积层的微观结构和元素分布。力学性能测试包括显微硬度测试、压缩和拉伸实验。

图1. 复合MWAAM系统示意图

图2. WAAM NiTi/Nb LHS组件的微观结构和界面元素分布

图3. 不同区域的XRD衍射峰

图4. WAAM NiTi/Nb LHS组件在不同界面处的微观结构

图5. WAAM NiTi/Nb LHS组件界面处的元素分布

图6. WAAM NiTi/Nb LHS组件的TEM图像

图7. 沉淀相的TEM图像

图8. WAAM NiTi/Nb LHS组件的显微硬度分布

图9. 压缩实验结果

图10. 拉伸实验结果

图11. WAAM NiTi/Nb LHS组件的显微裂纹扩展路径

图12. 拉伸断裂后的显微结构

图13. WAAM NiTi/Nb LHS组件界面处的晶粒结构演变模型

图14. WAAM NiTi/Nb LHS组件界面处的晶粒结构与几何位错生成示意图

论文总结

该研究通过电弧增材制造技术成功制备了NiTi/Nb仿生层状异质结构，发现了其在不同层厚比下的微观结构演变和力学性能差异。NiTi/Nb组件表现出优异的压缩和拉伸强度，具有异质共晶结构的样品在界面处展现出高的结合强度。研究还揭示了通过调控界面微观结构和分层方式，可以显著提升异质结构的力学性能。本研究为增材制造技术在多材料层状结构中的应用提供了新的思路。

论文地址
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114326