2026年2月12日，深圳大学及其合作机构的研究人员展示了一种通过在激光粉末床熔融（LPBF）过程中添加TiN纳米颗粒来降低4D打印高熵形状记忆合金（HESMA）功能各向异性的方法。相关研究成果以题为“Effect of TiN nanoparticle onshape memory
properties of additively manufactured ferrous high entropy shapememory
alloy”的论文发表于《增材制造快报》（Additive ManufacturingLetters ）。
研究结果表明，纳米颗粒驱动的晶粒细化降低了材料的机械性能和形状记忆各向异性，并且打印后进行短暂的热处理即可恢复性能。研究团队对采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备的Fe50Mn20Co10Cr10Si10（原子百分比）合金进行了研究，并比较了添加和未添加1.0wt.% TiN纳米颗粒的样品。LPBF通常会形成沿成型方向排列的强柱状晶粒。然而，添加TiN会引发柱状晶向等轴晶转变（CET），从而形成更各向同性的微观结构。
△在LPBF法制备的HESMA中，柱状晶粒在添加TiN纳米颗粒后转变为等轴晶粒，从而降低了微观结构各向异性。图片来自Qiu等人。
降低4D打印合金的各向异性
金属增材制造通常会产生各向异性，因为陡峭的热梯度和定向凝固会形成方向依赖性的微观结构。在形状记忆合金中，这种各向异性会改变马氏体相变行为，导致不同方向的回复应变和屈服强度存在差异。
在未添加TiN的HESMA基体中，屈服强度在不同成型方向之间存在显著差异，水平方向样品的屈服强度达到582.5
MPa，而垂直方向样品的屈服强度为417.4
MPa。形状记忆性能也存在差异，垂直方向的最大回复应变达到6.3%，而水平方向的最大回复应变仅为4.0%。添加TiN纳米颗粒后，屈服强度分别提高至802.4 MPa（水平方向）和665.9 MPa（垂直方向）。屈服强度各向异性比从39.6%降低至20.5%。形状记忆各向异性进一步降低，最大回复应变差从56.3%降至14.9%。
△添加 TiN 可降低 LPBF 打印 HESMA 样品的屈服强度各向异性。图片来自 Qiu 等人。
△添加TiN并进行热处理后，最大回复应变各向异性显著降低。图片来自Qiu等人。
晶粒细化驱动微观结构转变
电子背散射衍射分析表明，TiN纳米颗粒促进了凝固过程中的异质形核。这导致晶粒显著细化，平均晶粒尺寸从基体合金的约15.8μm减小到TiN改性材料的1.68
μm。激光粉末床熔融（LPBF）工艺金属典型的强<100>织构减弱，使得晶粒取向分布更加均匀。晶粒细化虽然提高了强度并降低了各向异性，但初期却降低了形状记忆性能。较高的晶界密度限制了应力诱导马氏体相变，使垂直方向的最大回复应变降低至4.7%。
热处理可恢复形状记忆性能
为了恢复材料的功能性能，研究人员采用了在 800°C 下进行15分钟的短暂热处理。热处理消除了残余应力，减少了纳米孪晶和堆垛层错，并改变了析出物的成分。元素的重新分布降低了基体堆垛层错能，从而使马氏体相变更容易发生。
热处理后，最大回复应变分别增加至5.7%（水平方向）和5.9%（垂直方向）。形状记忆各向异性进一步降低至3.4%，表明其在保持较高强度的同时，具有接近各向同性的功能性能。
平衡 4D 打印的强度和功能
本研究提出了一种综合方法来解决金属4D打印中长期存在的局限性：即高强度和功能各向异性之间的权衡。纳米颗粒辅助晶粒细化可降低方向依赖性，而针对性的热处理则可恢复形状记忆性能。研究人员将 TiN 强化与后处理相结合，提出了一种生产更强、更各向同性的铁质形状记忆合金的方法，用于制造功能性 4D 打印部件。
4D打印技术的进步正从响应速度提升到结构可靠性
近期，4D打印研究正拓展至具有可编程响应特性的材料领域。宾夕法尼亚州立大学研发的水凝胶智能皮肤展现出超越静态打印部件的动态表面变化，而其他研究则聚焦于形状记忆合金和刺激响应系统，将其作为功能性4D组件的基础。
然而，向结构应用领域发展，除了驱动能力之外，还需要可预测的机械性能。在激光粉末床熔融（LPBF）制造的金属系统中，定向微结构会在载荷作用下引入变异性，从而限制了其在需要性能一致性的部件中的应用。
深圳大学的这项研究表明，各向异性可以在不牺牲强度的前提下得到缓解，从而直接解决了这一部署限制。研究结果表明，微观结构控制，而非仅仅是材料研发，可能决定着金属4D打印技术从实验室演示到可靠结构应用的转化速度。
来源：南极熊
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