形狀記憶合金在金屬增材制造中的應(yīng)用進(jìn)展

來源： 增材工業(yè)

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，材料科學(xué)與制造技術(shù)的創(chuàng)新推動(dòng)著多行業(yè)的進(jìn)步。形狀記憶合金（SMA）作為一類具有獨(dú)特性能的智能材料，正逐漸在金屬增材制造（AM）領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力和應(yīng)用價(jià)值。

形狀記憶合金的獨(dú)特特性
SMA是一種能夠在變形后恢復(fù)其原始形狀的智能材料，其獨(dú)特能力源于兩種固相——奧氏體和馬氏體之間的可逆相變。這種相變可以通過溫度變化（形狀記憶效應(yīng)- SME）或機(jī)械應(yīng)力（超彈性）來觸發(fā)。例如，當(dāng)溫度升高到特定值時(shí)，處于馬氏體相的形狀記憶合金會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，從而恢復(fù)到其原始形狀；在受到外力作用發(fā)生變形后，撤去外力，基于超彈性，合金也能恢復(fù)原狀。

常見的形狀記憶合金包括鎳鈦合金（NiTi）、銅基合金（Cu-AI-Ni、Cu-Zn-AI）和鐵基合金（Fe-Mn-Si）。鎳鈦合金因其高生物相容性、耐腐蝕性和超彈性，在生物醫(yī)學(xué)植入物和航空航天執(zhí)行器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；銅基合金是鎳鈦合金的經(jīng)濟(jì)高效替代品，具有良好的形狀記憶性能，適用于對(duì)成本控制較為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景；鐵基合金則以其高強(qiáng)度和抗疲勞性著稱，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面表現(xiàn)出色。

SMA在金屬增材制造中的優(yōu)勢(shì)
設(shè)計(jì)靈活性：AM技術(shù)能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀。對(duì)于SMA而言，通過選擇性激光熔化（SLM）或電子束熔化（EBM）等增材制造技術(shù)，可以精確控制其微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化材料性能。例如，在制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的航空航天部件時(shí)，AM可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整形狀記憶合金的微觀組織，使其更好地滿足使用要求。

定制和原型設(shè)計(jì)：在航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，往往需要具有獨(dú)特屬性的定制組件。SMA配合增材制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)和定制化生產(chǎn)。比如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以根據(jù)患者的具體情況，利用AM定制個(gè)性化的形狀記憶合金植入物，提高治療效果。

材料效率：像定向能量沉積（DED）這樣的增材制造工藝，通過逐層添加材料的方式，能夠最大限度地減少材料浪費(fèi)。在使用如鎳鈦合金等昂貴的SMA材料時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)尤為明顯，可以有效降低生產(chǎn)成本。

增強(qiáng)的功能：利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，制造出的產(chǎn)品可以具備內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和阻尼能力。這使得它們?cè)跈C(jī)器人和自適應(yīng)航空航天結(jié)構(gòu)等應(yīng)用中表現(xiàn)出色。例如，在機(jī)器人領(lǐng)域，SMA制成的執(zhí)行器可以像肌肉一樣提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)更加靈活和精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域

航空航天部件
執(zhí)行器和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)：SMA可用于制造輕型、反應(yīng)靈敏的飛機(jī)執(zhí)行器。這些執(zhí)行器能夠根據(jù)外部刺激調(diào)整形狀，從而提高飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。例如，基于鎳鈦合金的形狀記憶合金執(zhí)行器可應(yīng)用于變形機(jī)翼，使其在飛行過程中能夠改變形狀，優(yōu)化飛行性能。

熱管理系統(tǒng)：在衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)中，SMA可作為溫度敏感組件。通過調(diào)整自身形狀，有效地管理衛(wèi)星的散熱問題，確保衛(wèi)星在不同的工作環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的性能。

可折疊機(jī)翼 來源：NASA

生物醫(yī)學(xué)植入物
支架和正畸器械：鎳鈦合金的生物相容性和超彈性使其成為生產(chǎn)自膨脹支架的理想材料。這種支架可以在壓縮狀態(tài)下插入人體，然后在體內(nèi)膨脹，支撐血管，恢復(fù)血管的正常功能。同樣，基于SMA的正畸絲能夠隨著時(shí)間的推移施加一致的力，減少患者頻繁調(diào)整的次數(shù)，提高正畸治療的便利性和效果。
骨固定裝置：利用3D打印技術(shù)制造的SMA螺釘和板，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的骨結(jié)構(gòu)。它們能夠根據(jù)骨骼的形狀進(jìn)行調(diào)整，提供更有效和個(gè)性化的治療方案，促進(jìn)骨骼的愈合。

來源：benewtec

機(jī)器人執(zhí)行器
軟機(jī)器人：SMA為軟機(jī)器人領(lǐng)域帶來了革命性的變化。通過 3D 打印技術(shù)，將鎳鈦合金線材制成機(jī)器人夾持器，使其能夠根據(jù)所處理物體的形狀和重量，自動(dòng)調(diào)整抓握強(qiáng)度和形狀，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和靈活的操作。
醫(yī)療機(jī)器人：在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人中，SMA組件能夠提供精確、可控的運(yùn)動(dòng)。這有助于降低手術(shù)過程的侵入性，提高手術(shù)的精度和安全性，減少患者的創(chuàng)傷和恢復(fù)時(shí)間。

汽車零部件
溫度響應(yīng)元件：基于SMA的執(zhí)行器可以集成到汽車氣候控制系統(tǒng)中。根據(jù)車內(nèi)溫度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣流，為乘客提供更加舒適的駕乘環(huán)境。此外，SMA彈簧還可應(yīng)用于車輛安全系統(tǒng)，例如在車輛受到撞擊時(shí)，可展開保險(xiǎn)杠能夠迅速啟動(dòng)，提供額外的保護(hù)。

能源和環(huán)境應(yīng)用
智能電網(wǎng)和傳感器：在智能電網(wǎng)中，SMA可用于動(dòng)態(tài)管理負(fù)載，優(yōu)化能源分配，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。同時(shí)，它們還可以用于制造響應(yīng)式傳感器，能夠?qū)崟r(shí)感知環(huán)境變化，并提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為能源管理和環(huán)境保護(hù)決策提供有力支持。

SMA面臨的挑戰(zhàn)
盡管SMA在金屬增材制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但仍面臨一些需要解決的挑戰(zhàn)。

材料成本高：形狀記憶合金，尤其是鎳鈦合金，價(jià)格相對(duì)昂貴。因此，在應(yīng)用過程中，成本管理至關(guān)重要。需要通過有效的工藝優(yōu)化，最大限度地減少增材制造過程中的材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。

加工復(fù)雜性：在SLM和EBM等增材制造工藝中，熱循環(huán)會(huì)引發(fā)不良的相變，導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而降低材料性能。精確控制這些工藝參數(shù)，對(duì)于保持形狀記憶合金所需的形狀記憶和超彈性性能至關(guān)重要。

表面光潔度和后處理需求：AM工藝通常會(huì)使制造出的產(chǎn)品表面較為粗糙。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)等對(duì)表面光潔度和生物相容性要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，需要進(jìn)行后處理。例如，可以采用電解拋光或激光精加工等技術(shù)來改善表面質(zhì)量，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
可擴(kuò)展性問題：雖然增材制造技術(shù)非常適合原型設(shè)計(jì)和小規(guī)模生產(chǎn)，但由于形狀記憶合金的特殊要求，在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時(shí)，可能會(huì)面臨成本過高和技術(shù)難度較大的問題。需要進(jìn)一步探索和研究，尋找有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的可行見解
聚焦工藝優(yōu)化：利用先進(jìn)的模擬工具，對(duì)SMA的AM參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如激光功率、掃描速度和構(gòu)建方向等。通過精確控制這些參數(shù)，可以減少制造過程中的缺陷，增強(qiáng)材料性能。

與材料科學(xué)家合作：與材料科學(xué)家緊密合作，共同開發(fā)滿足特定應(yīng)用需求的定制形狀記憶合金成分。通過AM技術(shù)對(duì)合金的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制，可以顯著提升其性能，更好地滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

注重后處理技術(shù)：在產(chǎn)品規(guī)劃階段的早期，就應(yīng)采用適當(dāng)?shù)暮筇幚矸椒ǎ�如熱處理和表面處理等。通過這些后處理手段，確保最終產(chǎn)品符合必要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

利用混合制造方法：將AM與傳統(tǒng)減材方法相結(jié)合，可以有效克服增材制造在某些方面的局限性，如表面光潔度質(zhì)量和可擴(kuò)展性問題。通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

實(shí)施質(zhì)量控制措施：制定嚴(yán)格的質(zhì)量控制協(xié)議，對(duì)3D打印的SMA的微觀結(jié)構(gòu)特性和機(jī)械性能進(jìn)行監(jiān)控和管理。通過確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

隨時(shí)了解法規(guī)合規(guī)性：對(duì)于生物醫(yī)學(xué)和航空航天等對(duì)法規(guī)要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，必須遵守相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。定期與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通，及時(shí)更新生產(chǎn)流程，以滿足不斷變化的法規(guī)要求。

來源：comsol

形狀記憶合金為金屬增材制造帶來了新的變革，為眾多行業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜的高性能組件提供了新可能。通過深入了解其在AM中的實(shí)際應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，我們能夠不斷推動(dòng)創(chuàng)新，優(yōu)化生產(chǎn)流程，在這一快速發(fā)展的領(lǐng)域中保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。相信在未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，形狀記憶合金在金屬增材制造領(lǐng)域?qū)�發(fā)揮更加重要的作用，為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇和突破。

參考論文：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.213