1 研究背景及目的

NiTi基形状记忆合金由于具有良好的形状记忆效应和超弹性，在智能制造等领域有着广泛应用。然而NiTi二元合金相变滞后较宽（25~50℃），作为驱动元件时灵敏度低、响应速度慢。通过引入Cu元素制备NiTiCu三元合金能够有效缩小相变滞后（8～15℃）。因此本研究目的为通过双丝电弧增材制造（T-WAAM）技术高效制备NiTiCu合金来解决相变滞后宽的问题。

2 论文亮点

（1）利用T-WAAM技术实现了NiTi和Cu的原位合金化，成功制备了相变滞后窄（7.1℃）的NiTiCu合金。

（2）基于高能同步X射线衍射（SXRD）对沉积态NiTiCu合金进行了物相结构分析，确定了基体和析出相的体积分数和晶格参数。

（3）分析了沉积态NiTiCu合金的微观组织、化学成分、力学性能和相变行为，验证了元素的准确均匀性。

本研究以NiTi丝和Cu丝为原料，采用T-WAAM技术制备了NiTiCu沉积薄壁。T-WAAM装置主要由ABB 1410六轴机器人、超高频脉冲TIG焊接电源及焊枪、双丝送丝系统和氩气屏蔽罩组成。首先采用直流TIG对TA1基板进行预热，预热电流为100A，预热焊枪移动速度为100mm/min。高纯氩气(99.99%)气流量为15L/min。预热后，根据Cu预设比例设置NiTi丝和Cu丝的送丝速度分别为2200和240mm/min，利用超高频脉冲TIG热源在基板上沉积NiTiCu合金。采用OM、SEM、EDS对沉积态NiTiCu合金的微观组织和化学成分进行了分析；利用SXRD和DSC分别表征了NiTiCu合金的物相结构和相变行为；对沉积态NiTiCu合金的显微硬度和拉伸性能进行了测试。

通过T-WAAM制备的沉积态NiTiCu合金成形质量良好，其微观组织根据沉积材料内部位置的不同可分为柱状、等轴状和针状晶粒。显微硬度从第一层到第三层逐渐升高，平均显微硬度值分别为320.9、371.3和416.4HV0.5。沉积态NiTiCu第二层中心的Ti、Ni、Cu含量分别为44.33，34.86，20.80at.%，根据双丝送丝速度比，Cu的预设比例为20at.%，可以确定Cu含量与预设比例是一致的。基体B2和B19相的体积分数分别为57.9%和39.2%，析出相CuTi、Cu2Ti和Ti(Ni, Cu)2的体积分数分别为1.35%、0.97%和0.58%，表明B2和B19相在NiTiCu中占主导地位。根据计算的晶格参数，确定马氏体相为B19晶体结构。沉积态NiTiCu的拉伸强度为232±11MPa，断裂应变为3.7%±0.7%。NiTiCu的Ms值比NiTi的Ms值高78℃，相变滞后从24.4℃缩小为7.1℃，表明Cu的加入提高了相变温度并且窄化了相变滞后。

5 结论

沉积态NiTiCu合金成形良好，其微观组织表现为柱状、等轴状和针状。显微硬度从第一层到第三层逐渐升高。Cu含量为20.80at.%，与预设比例基本一致。Cu基析出相形成表明成功实现了Cu与NiTi的原位合金化。基于SXRD确定了B2和B19相的主导地位，以及马氏体相为B19晶体结构，并且存在择优取向。高的Cu含量及富Cu脆性相导致力学性能较差。沉积态NiTiCu只经历了B2-B19一步相变，且Cu的加入使相变滞后从24.4℃缩小到7.1℃，验证了利用T-WAAM技术制备窄相变滞后NiTiCu合金的可行性。

6 前景与应用

本研究提供了一种利用T-WAAM制备窄相变滞后NiTiCu合金的新方法，基于此方法可制备不同第三元素含量的NiTi基三元合金，拓展了T-WAAM在调控NiTi基三元合金的相变行为方面的潜力，为利用T-WAAM技术高效制备相变行为可控的NiTi基三元合金奠定了基础，有望实现在智能机器人和复杂驱动装置等领域的创新应用。