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在此篇文章開始之前，先介紹兩個(gè)材料學(xué)名詞——形狀記憶合金和梯度功能材料。形狀記憶合金是指具有形狀記憶效應(yīng)的合金，在臨床醫(yī)療領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。例如人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作，發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進(jìn)衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預(yù)定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶"功能而自然展開，恢復(fù)拋物面形狀。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

而梯度功能材料是指在成分或結(jié)構(gòu)上呈連續(xù)梯度變化的一種新型材料，它的設(shè)計(jì)要求功能、性能隨機(jī)件內(nèi)部位置的變化而變化，從而使整體性能得到優(yōu)化。例如，動(dòng)物的骨頭就是一種梯度結(jié)構(gòu)，外部堅(jiān)韌，內(nèi)部疏松多孔。

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如果使NiTi合金具備功能梯度結(jié)構(gòu)和形狀記憶性能的雙重特性，將極大促進(jìn)其作為智能組件的廣泛應(yīng)用。廣東工業(yè)大學(xué)的楊洋等人通過一種重復(fù)的激光處理手段使得NiTi形狀記憶合金獲得梯度功能，以擴(kuò)大馬氏體相變區(qū)間，以期提高形狀記憶合金可控性。由于微觀結(jié)構(gòu)與梯度功能具有復(fù)雜的耦合機(jī)制，在此次研究中，研究人員借助三英精密的X射線顯微CT（nanoVoxel-3000系列）對(duì)微觀結(jié)構(gòu)梯度的特征進(jìn)行了詳細(xì)的表征；同時(shí)，通過循環(huán)變形和硬度試驗(yàn)評(píng)價(jià)了力學(xué)性能和梯度功能，分析了加工參數(shù)對(duì)其微觀組織、性能和斷裂機(jī)理的影響，最后討論了有利于設(shè)計(jì)具有潛在復(fù)雜性能的梯度NiTi合金的方法。這項(xiàng)工作為制造三維分級(jí)NiTi合金提供了一種新穎的、有效的方法，它可以進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而滿足不同領(lǐng)域所期望的功能性能。

三英精密nanoVoxel-3000顯微CT

    使用的重復(fù)激光處理策略可以分為兩個(gè)步驟。第一步(見圖1b)涉及初始激光掃描，激光功率值從10W到91W逐漸變化。第二個(gè)步驟(見圖1c)是二次重復(fù)激光掃描步驟，它采用60W的恒定激光功率來重新熔化同一層。圖 1 顯示了用于制造梯度 NiTi 合金的重復(fù)激光加工策略的示意圖和樣品實(shí)物圖。

    顯微CT無損檢測(NDT)可以測試試樣的外部形態(tài)和內(nèi)部缺陷。采用nanoVoxel-3000系統(tǒng)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行了掃描，考慮到拉伸試樣的測量長度為20mm，該數(shù)據(jù)限制成像的更高分辨率的實(shí)現(xiàn)，因此，實(shí)驗(yàn)將試樣分成5個(gè)部分并進(jìn)行逐一掃描，以保證更好的成像質(zhì)量。在此條件下，X射線源的電壓和電流分別設(shè)置為150kV和40μA，曝光時(shí)間為0.4s。為了確保樣本在顯微CT掃描時(shí)始終在視野內(nèi)，分辨率設(shè)置為3μm，使用軟件完成圖像重建，最后利用Avizo軟件進(jìn)一步重建了試樣的三維(3D)結(jié)構(gòu)。

圖2中五張圖像為每個(gè)拉伸試樣沿梯度方向的連續(xù)三維重建。為方便起見，將圖2所示圖像的連續(xù)五部分為第I、II、III、IV和V部分(如圖1d所示)。對(duì)于圖2中的每幅圖像，初始激光功率從下到上增加。在圖2a中，由BD和GD定義的坐標(biāo)系用紅色箭頭清晰標(biāo)記。圖2d中清晰地顯示了0.4mm的梯度寬度。值得注意的是，不同部位的表面粗糙度因處理?xiàng)l件不同而不同。對(duì)于圖2e中在較高的激光功率下制造的梯度區(qū)域，這些表面比在相對(duì)較低的激光功率下制造的表面更光滑(圖2a和b)。

 圖2 五個(gè)拉伸試樣沿梯度方向的連續(xù)三維重建

圖3中的綠色像素代表了五個(gè)部分的三維內(nèi)部缺陷的相應(yīng)形態(tài)，他們之間各有差異。圖3顯示了缺陷沿梯度方向的形態(tài)、分布和體積分?jǐn)?shù)的變化。具體來說，圖3a所示的第Ⅰ部分對(duì)應(yīng)于從10W+60W到25W+60W的梯度區(qū)域，缺陷形狀不規(guī)則。在TD-GD平面（圖4a）和TD-BD平面（圖4c）的橫截面上，這些不規(guī)則缺陷為平面缺陷，也沿堆積層間的TD和GD方向拉伸。考慮到圖3a所示的樣品對(duì)應(yīng)于初始較低的激光功率，這些缺陷是由于雖然激光能量的總輸入足夠高，但在初始掃描過程中激光能量輸入不足造成的。隨著初始激光功率的增加，圖3b中第II部分對(duì)應(yīng)的梯度區(qū)域從27W+60W到41W+60W的缺陷體積分?jǐn)?shù)相較于第I部分較小（圖5中顯示為0.74%）。圖3c中所示的第III部分，對(duì)應(yīng)于中等激光功率，確實(shí)包含最少的缺陷（圖5所示0.09%）。圖3c和d中較高激光功率對(duì)應(yīng)的梯度區(qū)域的缺陷與其他缺陷*不同。對(duì)于圖3d中的第IV部分和圖3e中的第V部分，缺陷的幾何形狀變小，呈球形。這種缺陷在選擇性激光熔化（SLM）制造的金屬中被稱為“鎖孔"，通常與激光功率的過量輸入有關(guān)。有趣的是，與圖3d底部區(qū)域激光功率相對(duì)較低、分層不那么嚴(yán)重的情況相比，球形缺陷的分布表現(xiàn)出分層現(xiàn)象。鎖孔缺陷幾乎消失在相鄰梯度區(qū)域的邊界，熔化區(qū)域?qū)?yīng)的是相對(duì)較低的激光功率。因此，可以認(rèn)為鎖孔缺陷是由于激光功率過熱的熔體池造成的。

圖3 對(duì)五個(gè)拉伸試件掃描結(jié)果進(jìn)行三維重建，揭示五個(gè)部分不同部位的內(nèi)部缺陷

    根據(jù)顯微CT掃描結(jié)果，對(duì)所有缺陷的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。三個(gè)缺陷的尺寸以圖4b和圖4d為例。圖4c的平均缺陷長度約為0.21mm，圖4d的平均缺陷長度約為0.04mm。因此，低功率形成的不規(guī)則平面缺陷比高功率形成的鎖孔缺陷大近10倍。同時(shí)分析了所有五個(gè)部分的缺陷的體積分?jǐn)?shù)。圖5中的直方圖顯示了不同部分缺陷體積分?jǐn)?shù)的變化。第Ⅰ部分的體積分?jǐn)?shù)為2.84%，第V部分為7.09%。第III部分的缺陷體積分?jǐn)?shù)是在43W~59W之間制備的，低至0.09%。這表明，在形成最少數(shù)量的內(nèi)部缺陷方面，用中等的激光能量輸入制造NiTi合金是可取的。

圖5 功能梯度樣品的缺陷體積分?jǐn)?shù)

CT掃描重建結(jié)果如圖3和圖4所示，分級(jí)試樣的外部形態(tài)和內(nèi)部缺陷隨第一步初始激光功率的變化而變化。在較低的初始激光功率下，形成了位于層之間的粗糙表面和平面不規(guī)則缺陷。但當(dāng)激光功率輸入過大，會(huì)形成光滑表面和球形鎖孔缺陷。與它們相比，中等初始激光功率(43W-59W)對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)使表面相對(duì)光滑，缺陷最小，如圖2c所示。考慮到如圖6所示的內(nèi)部缺陷，第一步激光掃描的功率較低，導(dǎo)致了大量的不規(guī)則缺陷，通過重復(fù)激光掃描可以部分消除，如圖6d所示。但激光功率的過度輸入，如功率恒定60W的初始激光掃描以及60W的二次激光掃描，一方面促進(jìn)B19‘相的形成，另一方面導(dǎo)致形成更多的鎖孔。因此，我們知道第一和第二激光掃描步驟是非常重要的。這些事實(shí)提示，我們?cè)诘谝淮螔呙柽^程中應(yīng)避免使用低于30W的低激光功率，因?yàn)檫@將導(dǎo)致太多的不規(guī)則缺陷。但一旦初始激光功率大于60W，二次激光功率不應(yīng)過高，以避免鎖孔的形成。

通過高分辨率顯微CT對(duì)具有梯度功能的NiTi記憶合金進(jìn)行掃描，無損可視化了其外觀形態(tài)和內(nèi)部缺陷，結(jié)合其他分析手段揭示了缺陷形成的機(jī)理，對(duì)于重復(fù)激光處理手段選用條件提供了指導(dǎo)性建議，是研究具有梯度功能的NiTi記憶合金*的測試手段。