形状记忆合金在金属增材制造中的应用进展

来源： 增材工业

在当今科技飞速发展的时代，材料科学与制造技术的创新推动着多行业的进步。形状记忆合金（SMA）作为一类具有独特性能的智能材料，正逐渐在金属增材制造（AM）领域展现出巨大潜力和应用价值。

形状记忆合金的独特特性
SMA是一种能够在变形后恢复其原始形状的智能材料，其独特能力源于两种固相——奥氏体和马氏体之间的可逆相变。这种相变可以通过温度变化（形状记忆效应- SME）或机械应力（超弹性）来触发。例如，当温度升高到特定值时，处于马氏体相的形状记忆合金会转变为奥氏体相，从而恢复到其原始形状；在受到外力作用发生变形后，撤去外力，基于超弹性，合金也能恢复原状。

常见的形状记忆合金包括镍钛合金（NiTi）、铜基合金（Cu-AI-Ni、Cu-Zn-AI）和铁基合金（Fe-Mn-Si）。镍钛合金因其高生物相容性、耐腐蚀性和超弹性，在生物医学植入物和航空航天执行器等领域广泛应用；铜基合金是镍钛合金的经济高效替代品，具有良好的形状记忆性能，适用于对成本控制较为严格的应用场景；铁基合金则以其高强度和抗疲劳性著称，在结构应用方面表现出色。

SMA在金属增材制造中的优势
设计灵活性：AM技术能够生产出传统制造方法难以实现的复杂几何形状。对于SMA而言，通过选择性激光熔化（SLM）或电子束熔化（EBM）等增材制造技术，可以精确控制其微观结构，进而优化材料性能。例如，在制造具有复杂内部结构的航空航天部件时，AM可以根据实际需求调整形状记忆合金的微观组织，使其更好地满足使用要求。

定制和原型设计：在航空航天和生物医学工程等领域，往往需要具有独特属性的定制组件。SMA配合增材制造技术，能够实现快速原型设计和定制化生产。比如，在生物医学领域，可以根据患者的具体情况，利用AM定制个性化的形状记忆合金植入物，提高治疗效果。

材料效率：像定向能量沉积（DED）这样的增材制造工艺，通过逐层添加材料的方式，能够最大限度地减少材料浪费。在使用如镍钛合金等昂贵的SMA材料时，这种优势尤为明显，可以有效降低生产成本。

增强的功能：利用SMA的形状记忆效应和超弹性，制造出的产品可以具备内置的驱动和阻尼能力。这使得它们在机器人和自适应航空航天结构等应用中表现出色。例如，在机器人领域，SMA制成的执行器可以像肌肉一样提供动力，实现更加灵活和精准的运动。

实际应用领域

航空航天部件
执行器和自适应结构：SMA可用于制造轻型、反应灵敏的飞机执行器。这些执行器能够根据外部刺激调整形状，从而提高飞机的空气动力学效率和燃油经济性。例如，基于镍钛合金的形状记忆合金执行器可应用于变形机翼，使其在飞行过程中能够改变形状，优化飞行性能。

热管理系统：在卫星热管理系统中，SMA可作为温度敏感组件。通过调整自身形状，有效地管理卫星的散热问题，确保卫星在不同的工作环境下都能保持稳定的性能。

可折叠机翼 来源：NASA

生物医学植入物
支架和正畸器械：镍钛合金的生物相容性和超弹性使其成为生产自膨胀支架的理想材料。这种支架可以在压缩状态下插入人体，然后在体内膨胀，支撑血管，恢复血管的正常功能。同样，基于SMA的正畸丝能够随着时间的推移施加一致的力，减少患者频繁调整的次数，提高正畸治疗的便利性和效果。
骨固定装置：利用3D打印技术制造的SMA螺钉和板，可以更好地适应复杂的骨结构。它们能够根据骨骼的形状进行调整，提供更有效和个性化的治疗方案，促进骨骼的愈合。

来源：benewtec

机器人执行器
软机器人：SMA为软机器人领域带来了革命性的变化。通过 3D 打印技术，将镍钛合金线材制成机器人夹持器，使其能够根据所处理物体的形状和重量，自动调整抓握强度和形状，实现更加精准和灵活的操作。
医疗机器人：在微创手术机器人中，SMA组件能够提供精确、可控的运动。这有助于降低手术过程的侵入性，提高手术的精度和安全性，减少患者的创伤和恢复时间。

汽车零部件
温度响应元件：基于SMA的执行器可以集成到汽车气候控制系统中。根据车内温度的变化，自动调节气流，为乘客提供更加舒适的驾乘环境。此外，SMA弹簧还可应用于车辆安全系统，例如在车辆受到撞击时，可展开保险杠能够迅速启动，提供额外的保护。

能源和环境应用
智能电网和传感器：在智能电网中，SMA可用于动态管理负载，优化能源分配，提高电网的运行效率和稳定性。同时，它们还可以用于制造响应式传感器，能够实时感知环境变化，并提供准确的数据，为能源管理和环境保护决策提供有力支持。

SMA面临的挑战
尽管SMA在金属增材制造领域有着广阔的应用前景，但仍面临一些需要解决的挑战。

材料成本高：形状记忆合金，尤其是镍钛合金，价格相对昂贵。因此，在应用过程中，成本管理至关重要。需要通过有效的工艺优化，最大限度地减少增材制造过程中的材料浪费，降低生产成本。

加工复杂性：在SLM和EBM等增材制造工艺中，热循环会引发不良的相变，导致材料内部应力产生，进而降低材料性能。精确控制这些工艺参数，对于保持形状记忆合金所需的形状记忆和超弹性性能至关重要。

表面光洁度和后处理需求：AM工艺通常会使制造出的产品表面较为粗糙。对于生物医学等对表面光洁度和生物相容性要求较高的应用领域，需要进行后处理。例如，可以采用电解抛光或激光精加工等技术来改善表面质量，满足相关标准。
可扩展性问题：虽然增材制造技术非常适合原型设计和小规模生产，但由于形状记忆合金的特殊要求，在扩大生产规模时，可能会面临成本过高和技术难度较大的问题。需要进一步探索和研究，寻找有效的解决方案，实现大规模生产。

应对挑战的可行见解
聚焦工艺优化：利用先进的模拟工具，对SMA的AM参数进行优化，如激光功率、扫描速度和构建方向等。通过精确控制这些参数，可以减少制造过程中的缺陷，增强材料性能。

与材料科学家合作：与材料科学家紧密合作，共同开发满足特定应用需求的定制形状记忆合金成分。通过AM技术对合金的微观结构进行定制，可以显著提升其性能，更好地满足不同领域的应用要求。

注重后处理技术：在产品规划阶段的早期，就应采用适当的后处理方法，如热处理和表面处理等。通过这些后处理手段，确保最终产品符合必要的质量标准，提高产品的性能和可靠性。

利用混合制造方法：将AM与传统减材方法相结合，可以有效克服增材制造在某些方面的局限性，如表面光洁度质量和可扩展性问题。通过优势互补，提高生产效率和产品质量。

实施质量控制措施：制定严格的质量控制协议，对3D打印的SMA的微观结构特性和机械性能进行监控和管理。通过确保产品质量的一致性和可靠性，提高产品的市场竞争力。

随时了解法规合规性：对于生物医学和航空航天等对法规要求严格的领域，必须遵守相关的行业标准和法规。定期与监管机构进行沟通，及时更新生产流程，以满足不断变化的法规要求。

来源：comsol

形状记忆合金为金属增材制造带来了新的变革，为众多行业生产复杂的高性能组件提供了新可能。通过深入了解其在AM中的实际应用、优势和挑战，我们能够不断推动创新，优化生产流程，在这一快速发展的领域中保持竞争优势。相信在未来，随着技术的不断进步和创新，形状记忆合金在金属增材制造领域将发挥更加重要的作用，为各个行业的发展带来更多的机遇和突破。

参考论文：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.213