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Effect of Metal Transfer Mode on Local Chemical Inhomogeneity in Dual-Wire Electron Beam Additive Manufacturing of Nitinol

本研究表明，在双丝电子束增材制造镍钛合金的过程中，将送丝喷嘴收敛角减小至平行送丝（0°），可以抑制熔滴过渡并显著增强对流均匀化，从而消除局部化学成分不均匀性，并实现均匀的化学计量比与硬度。

原作者： Alexander Vladimirovich Nekhoroshev, Alexey Sergeevich Pankov, Alexey Vitalyevich Glinskiy, Roman Pozolovich Davlyatshin, Alexey Leonidovich Goncharov, Dmitry Nikolaevich Trushnikov, Ivan Sergeevich C

发布于 2026-10-09

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CC BY 4.0

原作者： Alexander Vladimirovich Nekhoroshev, Alexey Sergeevich Pankov, Alexey Vitalyevich Glinskiy, Roman Pozolovich Davlyatshin, Alexey Leonidovich Goncharov, Dmitry Nikolaevich Trushnikov, Ivan Sergeevich Chulkov, Nikita Pavlovich Chernyshev

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在航空航天和能源这些高风险领域，工程师们依赖一种被称为镍钛诺（Nitinol）的卓越材料。它是一种由镍和钛组成的金属合金，具有独特的形状记忆能力。如果被弯曲或扭曲，它可以在加热时恢复到原始形状，这种特性被称为形状记忆效应。这种行为不仅仅是一个奇闻，它对于从医疗支架到航空航天执行器等设备来说，是一种功能性的必需。然而，这种材料对其精确的化学成分极其敏感。即使是镍与钛比例不到十分之一的微小变化，也会剧烈改变金属发生相变的温度，使其无法实现预定用途。制造出既具有完美化学成分、又被塑造成复杂近成型几何形状的镍钛诺，长期以来一直是制造领域的挑战，因为传统方法成本高昂，且难以处理复杂的几何结构。

为了解决这个问题，研究人员转向了一种称为增材制造的技术，本质上就是金属3D打印。在一种被称为双丝电子束增材制造的特定变体中，两根独立的金属丝——一根是镍丝，一根是钛丝——被送入真空室，在那里，一股强大的电子束将它们逐层熔化在一起，从而构建出一个零件。目标是在它们熔化时将这两种金属完美混合，从而从零件底部到顶部创建一个均匀的合金。然而在实践中，这个过程往往无法使金属均匀混合。材料中会出现一些含有过多镍或过多钛的小口袋。这些化学失衡会产生脆性区域，从而削弱零件并破坏其形状记忆能力。科学界面临的问题不仅是这些缺陷的存在，而是为什么会发生这些缺陷以及如何阻止它们。

来自莫斯科动力工程学院和彼尔姆国立研究理工大学的研究小组致力于揭示这些化学缺陷的根本原因。他们专注于一个单一的可调变量：两根金属丝进入熔池的角度。在实验中，他们测试了三种不同的设置。第一种，金属丝向彼此倾斜，以三十度的角度汇合。第二种，金属丝以十五度的较缓角度倾斜。第三种，金属丝平行喂入，并排运行，没有汇合角。通过改变这个角度，他们可以观察液态金属在凝固成零件之前的行为。

为了观察这个隐形的、超高温熔池内部发生的情况，研究人员结合使用了高速摄像机和先进的计算机模拟。能够捕捉每秒数千帧图像的摄像机使他们能够观察金属丝熔化的过程。追踪了数百万个液态金属微粒运动的计算机模型则帮助他们理解其中的作用力，例如表面张力和热流。他们发现，金属丝的角度决定了金属进入熔池的具体方式。当金属丝呈三十度角时，镍丝的行为表现得非常不稳定。由于镍和钛具有不同的表面张力，镍倾向于形成大的液滴，这些液滴会脱离并单独掉入熔池，而不是与钛一起进入。这种异步交付意味着在短时间内，熔池会被单一金属淹没，在另一种金属赶上之前，从而产生化学失衡的小口袋。

当金属丝呈十五度角时，情况略有改善，但金属仍然通过两条独立的路径进入熔池，完全依赖电子束的旋转运动来进行混合。然而，当研究人员让金属丝平行喂入时，行为发生了根本性的变化。两根金属丝在完全进入主熔池之前就已经接触并熔合在一起。它们不再是两条独立的金属流，而是形成了一个稳定的液态桥梁，在流入熔池时已经实现了部分混合。这种初步的混合意味着镍和钛是以一个统一的流体形式到达熔池，而不是作为相互竞争的独立液滴。

这种简单的调整带来了显著的结果。在采用三十度角制造的样品中，化学成分波动巨大，某些位置偏离理想混合比例甚至超过了百分之十。这些样品的金相分析显示出一种混乱的结构，充满了会导致零件易碎裂的脆性不良相。相比之下，采用平行喂入法制造的样品表现出了极其均匀的化学成分。其与理想混合比例的偏差降低到了百分之零点五以下。这些样品的内部结构是一致的，呈现出理想合金的均匀基体，且硬度在整个零件宽度上分布均匀。

研究人员还测量了金属保持液态的时间以及在熔池中的流动速度。他们发现，平行喂入法使金属保持液态的时间明显更长——约为1.04秒，而倾斜喂入法不到半秒。这种额外的混合时间，结合更快的流动速度，为金属在冷却和凝固前提供了更广阔的充分混合窗口。在倾斜设置中，完美混合的窗口过于狭窄，导致金属在充分混合前就经常发生冻结。平行设置提供了一个充裕的余量，确保了化学成分在零件硬化之前就已经完成了均匀化。

这项研究表明，金属丝喂入的几何形状不仅是一个微小的细节，更是控制最终产品质量的关键因素。通过简单地将金属丝对齐为平行运行，研究人员消除了导致化学偏析的混乱液滴形成现象。他们证明了迫使金属在撞击主熔池之前进行混合是创造完美合金的关键。研究结果为需要生产用于关键应用的、高精度镍钛诺零件的制造商提供了一条清晰且实用的路径。解决方案并不需要新材料或更复杂的机械，而是源于对液态金属相遇时行为的深入理解，以及对交付方式的一个简单调整。

技术摘要：双丝电子束增材制造过程中金属传输模式对局部化学不均匀性的影响

问题陈述
通过双丝电子束增材制造（EBAM）生产镍钛（Nitinol）形状记忆合金面临着一个关键挑战：局部化学不均匀性的形成。虽然镍和钛的化学计量比可以通过送丝速率来控制，但固化材料的实际化学成分在很大程度上受熔池中金属传输模式的影响。当组分非同步进入熔池时，会出现镍或钛富集的瞬态区域。这些局部的化学计量偏差会促进脆性金属间化合物（如 Ti₂Ni、TiNi₃）的形成，从而降低延展性并抑制其功能性形状记忆特性。以往的研究已证实了 EBAM 在生产 Nitinol 方面的可行性，但尚未系统地研究不同几何配置的异种丝馈送如何影响混合的水动力学以及由此产生的化学均匀性。

研究方法
本研究采用了一种结合物理实验、高速摄影和光滑粒子流体动力学（SPH）数值模拟的多维度方法，旨在研究线收敛角 ( $\beta$ ) 对金属传输的影响。

实验设置： 实验在真空室内的 15 kW 电子束装置中进行。使用两根直径为 1 mm 的金属丝（镍 NP2 和钛 VT1-00sv）向 Nitinol 基板中馈送。测试了三种几何配置：收敛角 $\beta = 30^\circ$ 和 $\beta = 15^\circ$ 的单侧馈送，以及 $\beta = 0^\circ$ 的平行馈送。
SPH 建模： 开发了一个计算模型来模拟热量和质量传递过程，考虑了表面张力、热毛细对流（马兰戈尼效应）和蒸气压。该模型将熔体视为不可压缩的牛顿流体，并追踪代表基板和两种金属丝的离散粒子。通过计算镍与钛的质量流量比，定义了化学成分系数 ( $\gamma$ )，用以量化局部不均匀性。
光流分析： 利用高速摄影（2000 fps）验证模拟结果。应用光流算法（Farneback 方法）处理录像，以计算对流速度场，从而计算 Péclet 数，并将对流均质化时间 ( $\tau_{conv}$ ) 与液相寿命进行对比。
金相验证： 通过光学显微镜和横截面硬度测试（HV5）对沉积样品进行分析，旨在将微观结构特征和硬度变化与化学成分联系起来。

主要结果
研究确定了线收敛角 ( $\beta$ ) 与金属传输模式之间的直接相关性，而传输模式决定了化学均匀度的程度：

传输模式：
- $\beta = 30^\circ$ ： 液态镍与钛之间表面张力系数的差异导致镍丝通过不稳定的液滴进行传输，而钛则保持稳定的桥接。这种非同步进入方式造成了周期性的局部缺镍现象。
- $\beta = 15^\circ$ ： 形成了两个独立的传输桥。混合过程完全由电子束的偏转模式驱动，仅在熔池内部发生。虽然比 $30^\circ$ 时更均匀，但系统对电子束偏转参数仍具有敏感性。
- $\beta = 0^\circ$ （平行）： 两根金属丝建立了一个单一且稳定的传输桥。至关重要的是，组分在进入主熔池之前就已经完成了主动润湿和初步混合。
定量均匀性：
- 化学成分系数 $\gamma$ 偏离目标值的平均偏差随 $\beta$ 的减小而显著降低：从 $30^\circ$ 时的 3.6% 降至 $15^\circ$ 时的 2.2%，最后在 $0^\circ$ 时降至 0.4%。
- 对流均质化时间裕量（液相寿命与均质化时间的差值）从 $30^\circ$ 时的约 7% 增加到 $0^\circ$ 时的 约 67%。
- 所有配置下的 Péclet 数均保持在高位（~ $10^4$ ），证实了对流输运在扩散方面占据主导地位，这使得熔池的水动力学成为决定均匀性的主要因素。
微观结构与力学性能：
- 在 $\beta = 30^\circ$ 条件下生产的样品表现出明显的结构不均匀区，包括 TiNi₃ 共晶组织和变化的硬度（252–449 HV5）。
- 在 $\beta = 0^\circ$ 条件下生产的样品展现出均匀的 NiTi 基体以及在横向方向上均匀的硬度分布（358–385 HV5）。纵向硬度变化（330–388 HV5）归因于逐层沉积的热历史，而非化学偏析。

意义与结论
本文认为，金属传输模式是双丝 EBAM 制造 Nitinol 时实现化学均匀性的决定性因素。其主要贡献在于识别了喷嘴收敛角 ( $\beta$ ) 是一个控制参数，它能够实现从非同步液滴传输到稳定预混桥接传输的刻意转变。

通过采用平行送丝方式 ( $\beta = 0^\circ$ )，研究证明了可以在进入熔池之前实现异种金属的初步混合，从而从根本上改变了混合机制。这种方法有效地抑制了局部化学计量偏差及相关的脆性金属间化合物的形成。本研究验证了将 SPH 建模与光流分析相结合，作为预测传输模式并在设计阶段优化送丝几何形状的有效工具，从而减少了大量的物理试错需求。研究结果为通过增材制造生产高质量、功能可靠的 Nitinol 部件提供了一种具体的工程技术解决方案。

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