震動會對結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人類健康產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、運行效率下降、安全性能降低以及重大經(jīng)濟(jì)損失。從簡單的梁結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，被動阻尼技術(shù)已被廣泛用于緩解這些問題。該方法依賴于特定材料的阻尼能力來耗散振動產(chǎn)生的機(jī)械能。在各類材料中，形狀記憶合金（SMAs），尤其是鎳鈦合金，因其卓越的阻尼能力而備受關(guān)注，這主要歸因于馬氏體相變產(chǎn)生的大量可移動界面處的摩擦導(dǎo)致的機(jī)械能耗散。

在溫度波動的環(huán)境中，鎳鈦合金表現(xiàn)出顯著的阻尼效應(yīng)，其特征是在阻尼峰值溫度（TP）處具有較高的阻尼峰值強(qiáng)度（Q?1）。為了有效利用這種阻尼效應(yīng)，必須使T?與目標(biāo)工作溫度一致，同時保持較高的Q?1。理論上，實現(xiàn)這一目標(biāo)的可行方法是調(diào)整鎳含量。具體而言，TP與相變溫度密切相關(guān)，相變溫度隨鎳含量每0.1 at.%的變化而偏移約10 K。然而，將這一原理應(yīng)用于傳統(tǒng)制造的鎳鈦合金時，面臨若干實際挑戰(zhàn)——這類合金通常需經(jīng)過熔煉、冷加工和熱處理工藝。初始成分在熔煉步驟中確定，因此調(diào)整鎳含量需要改變原材料成分并重新進(jìn)行熔煉。此外，如軋制和退火等熱機(jī)械加工過程需要精心優(yōu)化，以避免阻尼能力受損，正如一項充分研究指出。此外，這些耗時費力的工藝對鎳鈦合金的幾何形狀施加了顯著限制，由于其加工性能較差，難以應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)型的部件。

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【成果速覽】

鎳鈦合金在TP處表現(xiàn)出顯著的阻尼效應(yīng)，而將TP與目標(biāo)溫度對齊具有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)上，調(diào)整鎳鈦合金的阻尼性能需要對原材料成分進(jìn)行精確修改和復(fù)雜的熱機(jī)械加工。

本研究中，香港城市大學(xué)呂堅院士團(tuán)隊通過激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)實現(xiàn)了TP在93K寬溫度范圍內(nèi)的高效調(diào)諧，無需進(jìn)行材料改性和復(fù)雜處理。通過全面的實驗和模擬揭示了其機(jī)制：在LPBF過程中調(diào)整激光掃描速度可調(diào)節(jié)激光-粉末相互作用，導(dǎo)致熔池的溫度、存在時間和體積發(fā)生變化。這些變化有助于控制鎳的蒸發(fā)，從而實現(xiàn)對鎳含量的調(diào)節(jié)和TP的調(diào)諧。值得注意的是，鎳含量每增加0.1 at.%，TP降低7.55K。盡管TP得到了有效調(diào)諧，阻尼峰值強(qiáng)度仍保持較高水平（0.06–0.11），表明所需的阻尼效應(yīng)得以保留。

此外，本研究還討論了LPBF鎳鈦合金中阻尼峰的組成和影響因素，且通過LPBF制備了高阻尼、輕量化的鎳鈦多孔結(jié)構(gòu)，凸顯了與傳統(tǒng)工藝相比的獨特優(yōu)勢?？傮w而言，本研究為鎳鈦合金阻尼性能的高效調(diào)諧提供了新見解和框架，為高阻尼材料的先進(jìn)應(yīng)用鋪平了道路。

相關(guān)成果以「Achieving efficient damping performance tuning in NiTi alloy via laser powder bed fusion」為題發(fā)表在Acta Materialia上。

【數(shù)據(jù)概況】

圖1.LPBF NiTi鎳鈦合金在不同激光功率（P）和激光掃描速度（V）下的阻尼性能。a 體積能量密度（VED）等高線圖；b 參數(shù)組合（P=80、90、100 W；V=600–1100 mm·s?1）的阻尼曲線。樣品從298 K冷卻至173 K后再加熱至373 K，頻率為1 Hz，應(yīng)變0.1%。c 激光功率和掃描速度對冷卻階段阻尼峰值溫度（TP）的影響；d 對冷卻階段阻尼峰值強(qiáng)度（Q?1）的影響（加熱階段趨勢類似）。

圖2.激光功率為90 W、掃描速度不同時樣品的阻尼性能：a 阻尼曲線（頻率：1 Hz；應(yīng)變：0.1%；溫度范圍：173~373 K）；b 圖a中虛線矩形區(qū)域的放大圖；c-d 分別對應(yīng)V對Q?1和T?的影響。

圖3.激光功率為90 W、不同掃描速度下制備的樣品的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像。

圖4.通過電子背散射衍射（EBSD）獲得的樣品（激光功率P=90 W）的反極圖（IPF），觀察面（插圖中長方體的紅色表面）平行于構(gòu)建方向（BD）。x、y和z軸分別對應(yīng)于沿掃描方向（SD）、掃描方向（SD）和構(gòu)建方向（BD）的重構(gòu)。MUD表示均勻分布的倍數(shù)。

圖5.激光功率為90 W、掃描速度為650 mm·s?1的典型樣品的分級顯微組織：a 微米級晶粒形貌，橙色和黑色線條分別標(biāo)識小角度晶界（LAGB，取向差2–15°）和大角度晶界（HAGB，取向差>15°）；b 圖a中矩形區(qū)域的高倍形貌及核平均取向差（KAM）圖像；c 透射電鏡（TEM）圖像顯示拉長的亞微米級晶粒，白色虛線為清晰標(biāo)識的晶界；d TEM圖像顯示亞微米晶粒內(nèi)的高密度位錯；e 等軸亞微米晶粒的TEM圖像；f 納米級析出相的TEM圖像，插圖為更清晰的視圖；g 圖f中方形區(qū)域的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣，樣品臺傾斜使電子束（B）平行于B2基體的<111>晶向，黃色圓圈標(biāo)注Ni?Ti?析出相引起的衍射斑點。

圖6.LPBF過程中鎳蒸發(fā)的調(diào)控：a 激光功率為90 W、掃描速度為400–1100 mm·s?1時樣品的EDS結(jié)果，插圖為原材料的SEM及EDS面掃圖；b LPBF過程中鎳和鈦的計算蒸發(fā)速率（圖中標(biāo)注了熔點和沸點）；c 有限元模擬（FES）模型示意圖；d 激光掃描過程中熔池體積的整體變化；e–h 感興趣點分析：e 熔池示意圖（顯示熔池體積變化），f 熔池內(nèi)溫度演變，g 峰值溫度與熔池存在時間，h 沿熔池中心的線性溫度分布（0 μm處為熔池上表面，見插圖）。

【結(jié)論展望】

本研究利用LPBF技術(shù)，在保持高阻尼峰值強(qiáng)度（Q?1，0.06–0.11）的同時，將鎳鈦合金的TP從345/278 K高效調(diào)諧至300/230 K。TP的調(diào)諧歸因于元素蒸發(fā)導(dǎo)致的鎳含量變化，這一過程通過調(diào)整激光掃描速度（V）實現(xiàn)。具體而言，提高V會減弱激光-粉末相互作用，導(dǎo)致熔池溫度、存在時間和體積降低，從而減少鎳的蒸發(fā)并增加基體中的鎳含量。實驗建立了經(jīng)驗關(guān)系：鎳含量每增加0.1 at.%，TP降低7.55 K。Q?1的變化與鎳含量差異、晶界特征以及掃描速度V影響的相變程度有關(guān)。Q?1可分解為瞬態(tài)項Q?1tr、相變項Q?1ph和本征項Q?1in，其中Q?1tr對相變過程中的高阻尼性能起主要貢獻(xiàn)，但在等溫條件下消失，此時阻尼能力由Q?1ph和Q?1in決定。此外，B2–B19’相變過程中的等溫阻尼效應(yīng)相比B19’–B2相變更穩(wěn)定，其內(nèi)在機(jī)制需進(jìn)一步研究。

本研究凸顯了LPBF技術(shù)在調(diào)諧鎳鈦合金阻尼性能方面的優(yōu)勢，為未來研究和應(yīng)用提供了有價值的見解和框架。結(jié)果表明，LPBF無需改變原材料成分或進(jìn)行復(fù)雜熱機(jī)械處理，比傳統(tǒng)工藝更高效便捷。除本研究探討的掃描速度V外，其他LPBF參數(shù)（如激光功率、 掃描間距、層厚）也可用于調(diào)諧阻尼性能。此外，LPBF在制備具有鎳梯度和復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如輕量化多孔結(jié)構(gòu)）的高阻尼鎳鈦基構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大潛力，顯著拓寬了鎳鈦合金在減振及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。未來研究可進(jìn)一步探索不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對鎳鈦基構(gòu)件阻尼性能的影響。

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121281

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