鎳鈦（NiTi）合金表現出大幅度的可恢復變形，并可通過增材制造技術制備成精細和定制化的構件。然而，采用增材制造所制備的NiTi合金往往具有粗大的柱狀晶粒及不利的織構特征，因而表現出較差的拉伸超彈性（又稱偽彈性）、強度和總伸長率。香港城市大學呂堅院士團隊展示了通過激光粉床熔化技術（LPBF）制備新型層級化NiTi合金。這種NiTi合金由微米級魚鱗狀晶粒、亞微米級人字形晶粒、亞微米級等軸晶粒以及高密度位錯構成，晶體取向為<111>、<110>平行于構建及拉伸方向。新型層級化NiTi合金表現出創紀錄的5~6%的最大可恢復應變，3.5%的穩定可恢復應變并在120個拉伸循環后仍未失效。該合金還具有875~1029 MPa的超高拉伸強度及8.7~14.2%的總伸長率。這些優越的性能組合超越了現有最先進的增材制造NiTi合金。該研究在無需后續熱處理的條件下顯著解決了增材制造NiTi合金長期以來面臨的性能困境，為通過調控微觀結構以強化增材制造形狀記憶合金提供了新視角。

      由于具有可逆的應力誘導馬氏體相變（SIMT），超彈性鎳鈦（Ni-Ti）合金在去除外加載荷后能恢復至變形前的狀態。鎳鈦合金的可恢復應變（ε_rec）可達5-8%，遠高于不銹鋼的0.8%。超彈性鎳鈦合金還表現出高強度、良好的耐磨性、出色的耐蝕性、阻尼特性及生物相容性。因此，它十分適于承載和減振領域，譬如飛機著陸架和人工骨支架。然而，高加工硬化率和回彈性使其難以通過常規機械加工方法制備成具有高精度和復雜構型的構件。增材制造（AM，或稱為3D打印），特別是激光粉床熔化（LPBF），在制備復雜構型方面具有極高的成形自由度和無與倫比的優勢，為解決上述問題帶來了希望。

      不幸地是，利用增材制造制備的NiTi（AM NiTi）合金大多表現出較差的拉伸超彈性、強度和延展性的組合。導致性能不足的原因包括存在孔洞、粗大的柱狀晶粒（常伴有不利的<100>取向）以及缺乏有效的微觀位點來釘扎位錯滑移。常規方法是利用熱處理產生沉淀強化以改善合金的超彈性和力學性能，但這需要精細化的研究。例如，對于電子束定向能量沉積制備的NiTi合金，先進行了700 ℃，1 h的退火處理，隨后再在250或450 ℃下進行不同時長的時效處理以增強其拉伸性能。盡管如此，熱處理無法細化粗大的柱狀晶粒，甚至可能因高溫導致晶粒進一步粗化。即使在保護氣氛下進行熱處理，也面臨著氧化及形成TiO₂和/或Ti₄Ni₂O_x相的問題。即便耗能的熱處理有時產生了良好的強化效果，它也不可避免地增加了時間、經濟成本與環境負擔。因此，熱處理并非提高AM NiTi合金超彈性和力學性能的最佳方法。

      前人已經證明，在傳統方式制備的合金中引入層級微觀結構可有效提高力學性能。其基本原理在于納米孿晶和/或超細晶粒可阻礙位錯運動以提高強度，而粗大晶粒可使應變去局域化以提高塑性。同樣，這種強化機制也適用于AM合金。由于具有極高的冷卻速度和熱循環，人們可在打印過程中原位構筑層級微觀結構。一些重要的研究報道了通過構建晶粒尺寸或孿晶間距的空間變化，在AM鋼和AM高熵合金中實現出色的強度、塑性組合。因此，引入層級微觀結構或可用于強韌化AM NiTi合金。此外，基于以下事實，超彈性也可能受益于層級微觀結構。超彈性NiTi合金的非彈性變形是位錯滑移和SIMT競爭的過程。易于移動的位錯會降低NiTi合金的超彈性。可見，層級微觀結構對位錯的釘扎效理當有助于增強超彈性。另外，將粗大的柱狀晶粒轉變為層級微結構可以改變晶粒取向，這同樣利于提高超彈性性能。然而，目前還沒有研究采用構建層級微觀結構的策略來協同提高AM NiTi合金的力學性能和超彈性性能。

      最近，香港城市大學呂堅院士團隊采用LPBF制備了具有層級微觀結構的超彈NiTi合金，以突破強度-延展性-超彈性權衡。團隊采用了各種測試方法和表征技術，包括原位力學實驗和原位電子顯微鏡成像，以全面評估合金的性能并闡明潛在的機理。相關研究成果以Superelastic and robust NiTi alloys with hierarchical microstructures by laser powder bed fusion為題發表在增材制造領域頂級期刊Additive Manufacturing上。論文的通訊作者為香港城大工學院院長 呂堅院士，第一作者為香港城大機械工程系 鐘詩宇博士生。論文的其他作者包括：香港城大-華中科大博士后（香江學者） 張磊博士、香港城大福田研究院（現香港城大物質科學研究院（福田））研究員 李瑩博士、香港城大機械工程系博士后 陳緒梁博士、重慶科技大學 柴森森教授、香港城大-南方科技大學機械工程系 李干博士生、香港城大機械工程系博士后 劉輝博士、香港城大福田研究院研究員 郭川博士、山東大學 王協彬教授、重慶大學 張丁非教授。

論文鏈接https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104319