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，极大的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，太阳成tyc7111cc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。

图1. CuAlNi形状记忆合金的4D打印成形

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。

图2.增材制造过程中CuAlNi合金的工艺-组织-性能

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。

图3.沉积态CuAlNi形状记忆合金的变形机制

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%。

图4 LPBF沉积过程及其微观特征封面图

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