電弧增材制造過程中橋接過渡模式的熱流體行為、微觀結構和機械性能

來源：電子科技大學新聞網(wǎng)

近日，電子科技大學廣東電子信息工程研究院（簡稱“電研院”）曾志教授團隊在增材制造領域頂級期刊Additive Manufacturing（中科院一區(qū)Top，影響因子11.0）發(fā)表題為“Thermal-fluid behavior, microstructure and mechanical properties in liquid bridge transfer mode during directed energy deposition-arc additive manufacturing – Insights using NiTi as a model alloy”的學術論文，以NiTi形狀記憶合金為對象，研究了電弧增材制造過程中橋接過渡模式的熱流體行為、微觀結構和機械性能。博士生柯文超為第一作者，曾志教授為通訊作者。

在電弧增材制造過程中，熔滴過渡、熔池動力學和溫度特性對NiTi形狀記憶合金（SMAs）構件的宏觀形態(tài)、顯微組織和機械性能有著重要影響。研究結果表明，NiTi形狀記憶合金電弧增材制造過程中主要有兩種熔滴過渡模式，即橋接過渡和自由過渡，其中橋接過渡模式熔融金屬過渡更為平穩(wěn)，有利于形成穩(wěn)定的熔池和優(yōu)異的成形質量，而自由過渡模式熔滴周期性沖擊熔池，成形質量較差。此外，橋接過渡模式成形構件具有更窄的相變溫度區(qū)間，以及良好的超彈性回復特性。通過深入理解熔滴過渡機制，并結合計算流體力學（CFD）模型，能夠為NiTi形狀記憶合金的增材制造方法提供更好的工藝優(yōu)化策略。

▲圖1 熔滴過渡模式對NiTi形狀記憶合金增材制造熔池流動、微觀組織和機械性能的影響

未來智能飛行器和機器人等變體結構廣泛采用新型功能材料，傳統(tǒng)鍛造、軋制方法制備的形狀記憶合金功能單一，難以滿足能變形、變形準、形多變的技術要求。針對組織、相變定量化設計與可控、易控的共性需求，課題組提出了基于超高頻脈沖電弧的增材制造方法。建立了熔池傳熱傳質的多相耦合物理模型，揭示了滴搭橋過渡-自由過渡模式的熱流體動力學機制，闡明了沉積層中Ni元素蒸發(fā)燒損機理。進一步揭示了工藝參數(shù)對組織成分的影響和Ni4Ti3等二次相的析出強化機制，解析了沉積層本征外延凝固過程中特定織構沿溫度梯度的非平衡、非線性冶金規(guī)律，實現(xiàn)了成形構件超彈性和形狀記憶效應的定性定量化控制，為變體結構的設計加工奠定了理論和技術基礎。

該研究為功能材料加工技術領域帶來了新的突破和啟示，有望推動低成本、可控增材制造新工藝新方法的發(fā)展，進一步提升航空航天、機器人產(chǎn)品質量和制造效率，滿足未來變體結構輕量化、智能化的裝備技術需求。

近年來，課題組在《Additive Manufacturing》連續(xù)發(fā)表5篇高水平論文，其中ESI熱點論文2篇、高被引論文1篇。

▲圖2 NiTi形狀記憶合金電弧增材制造構件功能評測，實現(xiàn)了超彈性和形狀記憶效應的定性定量化控制

▲圖3 NiTi形狀記憶合金電弧增材制造沉積成形機制，揭示了組織成分連續(xù)性對沉積層冶金反應與力學性能的影響規(guī)律

曾志是電子科技大學機械與電氣工程學院機器人與無人系統(tǒng)團隊核心成員，同時也是電研院科研團隊帶頭人，在莞開展“基于功能梯度材料的仿生爬行機器人設計及增材制造”的研究工作，得到了廣東省基礎與應用基礎研究基金粵莞聯(lián)合基金地區(qū)培育項目的資助。該項目針對仿生機器人快速爬行、方向可控、高穩(wěn)健能力難以兼得的技術瓶頸，研究一款基于NiTi功能梯度材料為柔性驅動材料的微型爬行機器人，揭示其爬行物理驅動機理，提出可折疊的類外骨骼及仿生關節(jié)結構。

代表性論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103807
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102513
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101051