形狀記憶合金在金屬增材制造中的應用進展

來源： 增材工業(yè)

在當今科技飛速發(fā)展的時代，材料科學與制造技術的創(chuàng)新推動著多行業(yè)的進步。形狀記憶合金（SMA）作為一類具有獨特性能的智能材料，正逐漸在金屬增材制造（AM）領域展現(xiàn)出巨大潛力和應用價值。

形狀記憶合金的獨特特性
SMA是一種能夠在變形后恢復其原始形狀的智能材料，其獨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- SME）或機械應力（超彈性）來觸發(fā)。例如，當溫度升高到特定值時，處于馬氏體相的形狀記憶合金會轉變?yōu)閵W氏體相，從而恢復到其原始形狀；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)學植入物和航空航天執(zhí)行器等領域廣泛應用；銅基合金是鎳鈦合金的經(jīng)濟高效替代品，具有良好的形狀記憶性能，適用于對成本控制較為嚴格的應用場景；鐵基合金則以其高強度和抗疲勞性著稱，在結構應用方面表現(xiàn)出色。

SMA在金屬增材制造中的優(yōu)勢
設計靈活性：AM技術能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的復雜幾何形狀。對于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，可以精確控制其微觀結構，進而優(yōu)化材料性能。例如，在制造具有復雜內(nèi)部結構的航空航天部件時，AM可以根據(jù)實際需求調(diào)整形狀記憶合金的微觀組織，使其更好地滿足使用要求。

定制和原型設計：在航空航天和生物醫(yī)學工程等領域，往往需要具有獨特屬性的定制組件。SMA配合增材制造技術，能夠?qū)崿F(xiàn)快速原型設計和定制化生產(chǎn)。比如，在生物醫(yī)學領域，可以根據(jù)患者的具體情況，利用AM定制個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。在使用如鎳鈦合金等昂貴的SMA材料時，這種優(yōu)勢尤為明顯，可以有效降低生產(chǎn)成本。

增強的功能：利用SMA的形狀記憶效應和超彈性，制造出的產(chǎn)品可以具備內(nèi)置的驅(qū)動和阻尼能力。這使得它們在機器人和自適應航空航天結構等應用中表現(xiàn)出色。例如，在機器人領域，SMA制成的執(zhí)行器可以像肌肉一樣提供動力，實現(xiàn)更加靈活和精準的運動。

實際應用領域

航空航天部件
執(zhí)行器和自適應結構：SMA可用于制造輕型、反應靈敏的飛機執(zhí)行器。這些執(zhí)行器能夠根據(jù)外部刺激調(diào)整形狀，從而提高飛機的空氣動力學效率和燃油經(jīng)濟性。例如，基于鎳鈦合金的形狀記憶合金執(zhí)行器可應用于變形機翼，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。

可折疊機翼 來源：NASA

生物醫(yī)學植入物
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，恢復血管的正常功能。同樣，基于SMA的正畸絲能夠隨著時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打印技術制造的SMA螺釘和板，可以更好地適應復雜的骨結構。它們能夠根據(jù)骨骼的形狀進行調(diào)整，提供更有效和個性化的治療方案，促進骨骼的愈合。

來源：benewtec

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

汽車零部件
溫度響應元件：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彈簧還可應用于車輛安全系統(tǒng)，例如在車輛受到撞擊時，可展開保險杠能夠迅速啟動，提供額外的保護。

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

SMA面臨的挑戰(zhàn)
盡管SMA在金屬增材制造領域有著廣闊的應用前景，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，價格相對昂貴。因此，在應用過程中，成本管理至關重要。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，降低生產(chǎn)成本。

加工復雜性：在SLM和EBM等增材制造工藝中，熱循環(huán)會引發(fā)不良的相變，導致材料內(nèi)部應力產(chǎn)生，進而降低材料性能。精確控制這些工藝參數(shù)，對于保持形狀記憶合金所需的形狀記憶和超彈性性能至關重要。

表面光潔度和后處理需求：AM工藝通常會使制造出的產(chǎn)品表面較為粗糙。對于生物醫(yī)學等對表面光潔度和生物相容性要求較高的應用領域，需要進行后處理。例如，可以采用電解拋光或激光精加工等技術來改善表面質(zhì)量，滿足相關標準。
可擴展性問題：雖然增材制造技術非常適合原型設計和小規(guī)模生產(chǎn)，但由于形狀記憶合金的特殊要求，在擴大生產(chǎn)規(guī)模時，可能會面臨成本過高和技術難度較大的問題。需要進一步探索和研究，尋找有效的解決方案，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

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

與材料科學家合作：與材料科學家緊密合作，共同開發(fā)滿足特定應用需求的定制形狀記憶合金成分。通過AM技術對合金的微觀結構進行定制，可以顯著提升其性能，更好地滿足不同領域的應用要求。

注重后處理技術：在產(chǎn)品規(guī)劃階段的早期，就應采用適當?shù)暮筇幚矸椒�，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)量標準，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)量和可擴展性問題。通過優(yōu)勢互補，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

實施質(zhì)量控制措施：制定嚴格的質(zhì)量控制協(xié)議，對3D打印的SMA的微觀結構特性和機械性能進行監(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)品的市場競爭力。

隨時了解法規(guī)合規(guī)性：對于生物醫(yī)學和航空航天等對法規(guī)要求嚴格的領域，必須遵守相關的行業(yè)標準和法規(guī)。定期與監(jiān)管機構進行溝通，及時更新生產(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中的實際應用、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，我們能夠不斷推動創(chuàng)新，優(yōu)化生產(chǎn)流程，在這一快速發(fā)展的領域中保持競爭優(yōu)勢。相信在未來，隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，形狀記憶合金在金屬增材制造領域?qū)�發(fā)揮更加重要的作用，為各個行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機遇和突破。

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