震动会对结构、设备和人类健康产生不利影响，导致结构失效、运行效率下降、安全性能降低以及重大经济损失。从简单的梁结构到复杂的空间结构，被动阻尼技术已被广泛用于缓解这些问题。该方法依赖于特定材料的阻尼能力来耗散振动产生的机械能。在各类材料中，形状记忆合金（SMAs），尤其是镍钛合金，因其卓越的阻尼能力而备受关注，这主要归因于马氏体相变产生的大量可移动界面处的摩擦导致的机械能耗散。
在温度波动的环境中，镍钛合金表现出显著的阻尼效应，其特征是在阻尼峰值温度（TP）处具有较高的阻尼峰值强度（Q⁻¹）。为了有效利用这种阻尼效应，必须使Tₚ与目标工作温度一致，同时保持较高的Q⁻¹。理论上，实现这一目标的可行方法是调整镍含量。具体而言，TP与相变温度密切相关，相变温度随镍含量每0.1 at.%的变化而偏移约10 K。然而，将这一原理应用于传统制造的镍钛合金时，面临若干实际挑战——这类合金通常需经过熔炼、冷加工和热处理工艺。初始成分在熔炼步骤中确定，因此调整镍含量需要改变原材料成分并重新进行熔炼。此外，如轧制和退火等热机械加工过程需要精心优化，以避免阻尼能力受损，正如一项充分研究指出。此外，这些耗时费力的工艺对镍钛合金的几何形状施加了显著限制，由于其加工性能较差，难以应用于复杂构型的部件。
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【成果速览】
镍钛合金在TP处表现出显著的阻尼效应，而将TP与目标温度对齐具有重要的应用价值。传统上，调整镍钛合金的阻尼性能需要对原材料成分进行精确修改和复杂的热机械加工。
本研究中，香港城市大学吕坚院士团队通过激光粉末床熔融（LPBF）技术实现了TP在93K宽温度范围内的高效调谐，无需进行材料改性和复杂处理。通过全面的实验和模拟揭示了其机制：在LPBF过程中调整激光扫描速度可调节激光-粉末相互作用，导致熔池的温度、存在时间和体积发生变化。这些变化有助于控制镍的蒸发，从而实现对镍含量的调节和TP的调谐。值得注意的是，镍含量每增加0.1 at.%，TP降低7.55K。尽管TP得到了有效调谐，阻尼峰值强度仍保持较高水平（0.06–0.11），表明所需的阻尼效应得以保留。
此外，本研究还讨论了LPBF镍钛合金中阻尼峰的组成和影响因素，且通过LPBF制备了高阻尼、轻量化的镍钛多孔结构，凸显了与传统工艺相比的独特优势。总体而言，本研究为镍钛合金阻尼性能的高效调谐提供了新见解和框架，为高阻尼材料的先进应用铺平了道路。
相关成果以「Achieving efficient damping performance tuning in NiTi alloy via laser powder bed fusion」为题发表在Acta Materialia上。
【数据概况】
图1. LPBF NiTi镍钛合金在不同激光功率（P）和激光扫描速度（V）下的阻尼性能。a 体积能量密度（VED）等高线图；b 参数组合（P=80、90、100 W；V=600–1100 mm·s⁻¹）的阻尼曲线。样品从298 K冷却至173 K后再加热至373 K，频率为1 Hz，应变0.1%。c 激光功率和扫描速度对冷却阶段阻尼峰值温度（TP）的影响；d 对冷却阶段阻尼峰值强度（Q⁻¹）的影响（加热阶段趋势类似）。
图2. 激光功率为90 W、扫描速度不同时样品的阻尼性能：a 阻尼曲线（频率：1 Hz；应变：0.1%；温度范围：173~373 K）；b 图a中虚线矩形区域的放大图；c-d 分别对应V对Q⁻¹和Tₚ的影响。
图3. 激光功率为90 W、不同扫描速度下制备的样品的光学显微镜（OM）图像。
图4. 通过电子背散射衍射（EBSD）获得的样品（激光功率P=90 W）的反极图（IPF），观察面（插图中长方体的红色表面）平行于构建方向（BD）。x、y和z轴分别对应于沿扫描方向（SD）、扫描方向（SD）和构建方向（BD）的重构。MUD表示均匀分布的倍数。
图5. 激光功率为90 W、扫描速度为650 mm·s⁻¹的典型样品的分级显微组织：a 微米级晶粒形貌，橙色和黑色线条分别标识小角度晶界（LAGB，取向差2–15°）和大角度晶界（HAGB，取向差>15°）；b 图a中矩形区域的高倍形貌及核平均取向差（KAM）图像；c 透射电镜（TEM）图像显示拉长的亚微米级晶粒，白色虚线为清晰标识的晶界；d TEM图像显示亚微米晶粒内的高密度位错；e 等轴亚微米晶粒的TEM图像；f 纳米级析出相的TEM图像，插图为更清晰的视图；g 图f中方形区域的选区电子衍射（SAED）花样，样品台倾斜使电子束（B）平行于B2基体的<111>晶向，黄色圆圈标注Ni₄Ti₃析出相引起的衍射斑点。
图6. LPBF过程中镍蒸发的调控：a 激光功率为90 W、扫描速度为400–1100 mm·s⁻¹时样品的EDS结果，插图为原材料的SEM及EDS面扫图；b LPBF过程中镍和钛的计算蒸发速率（图中标注了熔点和沸点）；c 有限元模拟（FES）模型示意图；d 激光扫描过程中熔池体积的整体变化；e–h 感兴趣点分析：e 熔池示意图（显示熔池体积变化），f 熔池内温度演变，g 峰值温度与熔池存在时间，h 沿熔池中心的线性温度分布（0 μm处为熔池上表面，见插图）。
【结论展望】
本研究利用LPBF技术，在保持高阻尼峰值强度（Q⁻¹，0.06–0.11）的同时，将镍钛合金的TP从345/278 K高效调谐至300/230 K。TP的调谐归因于元素蒸发导致的镍含量变化，这一过程通过调整激光扫描速度（V）实现。具体而言，提高V会减弱激光-粉末相互作用，导致熔池温度、存在时间和体积降低，从而减少镍的蒸发并增加基体中的镍含量。实验建立了经验关系：镍含量每增加0.1 at.%，TP降低7.55 K。Q⁻¹的变化与镍含量差异、晶界特征以及扫描速度V影响的相变程度有关。Q⁻¹可分解为瞬态项Q⁻¹tr、相变项Q⁻¹ph和本征项Q⁻¹in，其中Q⁻¹tr对相变过程中的高阻尼性能起主要贡献，但在等温条件下消失，此时阻尼能力由Q⁻¹ph和Q⁻¹in决定。此外，B2–B19’相变过程中的等温阻尼效应相比B19’–B2相变更稳定，其内在机制需进一步研究。
本研究凸显了LPBF技术在调谐镍钛合金阻尼性能方面的优势，为未来研究和应用提供了有价值的见解和框架。结果表明，LPBF无需改变原材料成分或进行复杂热机械处理，比传统工艺更高效便捷。除本研究探讨的扫描速度V外，其他LPBF参数（如激光功率、 扫描间距、层厚）也可用于调谐阻尼性能。此外，LPBF在制备具有镍梯度和复杂拓扑结构（如轻量化多孔结构）的高阻尼镍钛基构件方面展现出巨大潜力，显著拓宽了镍钛合金在减振及相关领域的应用前景。未来研究可进一步探索不同拓扑结构对镍钛基构件阻尼性能的影响。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121281
来源
材料设计 l
Acta丨港城大吕坚：激光粉末床熔融技术，高效调控NiTi合金阻尼性能
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