Additive manufacturing of Ni-Mn-Sn shape memory Heusler alloy -- Microstructure and magnetic properties from powder to printed parts
本研究调查了通过定向能量沉积工艺制备的 Ni-Mn-Sn 赫斯勒合金的微观结构与磁性演变，表明虽然热处理可以恢复尖锐的马氏体相变，但打印过程中显著的锰蒸发与氧化使得必须严格控制成分与氧含量，以维持用于固态制冷应用的优化磁性能。
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想象一个空调和冰箱不再依赖有害气体或嘈杂压缩机，而是通过在接触磁场或压力时改变内部结构的固体材料来降温的世界。这就是固态制冷技术的承诺，这项技术有望让我们的气候友好型未来成为现实。在这项潜力的核心，是一种被称为赫斯勒合金（Heusler alloys）的特殊金属合金，具体是由镍、锰和锡组成的混合物。这些材料拥有一种独特的能力：它们几乎可以瞬间在两种不同的内部排列，即“相”之间进行切换。一种是磁性的，存在于较高温度下；另一种是非磁性的，在材料冷却时形成。这种切换过程会吸收或释放热量，这正是制冷所需的根本机制。然而，这些合金极其脆弱，这意味着如果你试图用传统工具进行切割或塑形，它们会像玻璃一样破碎。这种极度的脆弱性使得将它们制造成为现实设备所需的复杂定制形状变得几乎不可能。
为了克服这一制造障碍，研究人员转向了一种被称为增材制造的技术，通常被称为3D打印。增材制造不是将一块金属切割成所需尺寸，而是通过一层层堆叠精细的粉末来构建物体。在一项新的研究中，一组科学家调查了他们是否能够成功打印这些脆弱的镍锰锡合金，并同时保留其特殊的制冷能力。他们专注于一种被称为直接能量沉积（direct energy deposition）的特定工艺，即利用激光熔化沉积在表面上的粉末流。挑战是双重的：首先，激光的高热量会导致锰元素蒸发，从而改变合金的化学配方；其次，快速的加热和冷却可能会使材料留下混乱的内部结构，从而破坏其性能。研究人员想要观察他们是否可以通过控制这些变量，来创造出性能与传统制造产品一样好的打印部件。
团队首先创建了一种高质量的粉末。他们将原材料熔化在一起，并利用气流将其喷射成微小的球形液滴，这个过程产生的颗粒大小约为一粒沙子。在打印之前，他们仔细筛分了粉末，以确保只使用直径在20到50微米之间的颗粒，剔除任何过细或过大的颗粒。随后，他们对一份粉末样本进行了热处理，即在极高温度下烘烤六小时。这一步至关重要，因为新制造的粉末颗粒内部成分不均匀。经过烘烤后，颗粒变得均匀，其磁性能也变得更加锐利，显示出在磁性和非磁性状态之间清晰且强烈的转变。这证实了起始材料已为下一阶段做好了准备。
接下来，研究人员使用激光打印了该合金的小型块体。他们将未经热处理的筛分后的粉末直接送入激光束中，利用激光熔化粉末并在加热的金属板上逐层构建物体。他们此前分析过使用不同激光功率设置处理的样品，发现使用400 W的低功率设置时，锰的蒸发最少，孔隙率最低，能使化学成分最接近原始配方。因此，他们选择了这一特定设置进行主要研究。然而，打印出的块体在打印完成后并不完美。它们含有微小的孔隙（或洞），以及一些金属未能完全熔合在一起的区域。更重要的是，快速冷却导致锰的蒸发比预期稍多，且腔室中的一些氧气与锰反应，形成了非磁性氧化物。这些缺陷意味着打印材料在原始状态下具有非常宽泛且微弱的转变过程，无法表现出制冷所需的尖锐且有用的行为。
突破点出现在研究人员对打印块体进行第二次热处理时。他们将成品在高温下烘烤了24小时。这种长时间、缓慢的烘烤过程就像是材料内部结构的“重置按钮”。它允许原子重新排列成均匀的图案，修复了由打印过程引起的化学不一致问题。结果是一个拥有整齐、有序内部结构的固体块，其晶粒沿构建方向延伸呈长条状。最显著的是，热处理恢复了材料在磁性和非磁性相之间进行尖锐、完整转变的能力。虽然由于打印过程中损失了少量锰，打印材料的转变温度仍略高于原始粉末，但其性能现在变得稳健且一致。
研究结论指出，尽管增敛制造会引入诸如元素蒸发和产生多余氧化物等挑战，但这些问题是可以管理的。通过精确控制激光功率并应用特定的打印后热处理，团队成功创造出了一种保留了功能特性的脆性合金。这些打印部件不仅是固体物体，更是能够进行复杂相变的实用材料。虽然由于仍存在微小缺陷，其磁强度略低于传统的铸造块，但前进的道路是清晰的。随着进一步的改进——例如减少氧气暴露，或者添加少量的其他元素来稳定结构——这项技术可能很快就能让工程师们打印出定制形状、高性能的冷却设备，而这些设备在以前是无法制造出来的。
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