形狀記憶合金在電弧增材制造中的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用前景目錄一、內(nèi)容概要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.1形狀記憶合金簡(jiǎn)介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.2電弧增材制造的概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51.3形狀記憶合金與電弧增材制造的結(jié)合潛力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6二、形狀記憶合金與電弧增材制造的理論研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.1形狀記憶效應(yīng)分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.2電弧增材制造過(guò)程原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．142.3材料結(jié)合性與試驗(yàn)驗(yàn)證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18三、形狀記憶合金在電弧增材制造中的應(yīng)用案例．．．．．．．．．．．．．．．．213.1金屬部件的修復(fù)與強(qiáng)化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．243.2新材料的設(shè)計(jì)與制造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．273.3復(fù)雜構(gòu)件的精密加工．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28四、形狀記憶合金在電弧增材制造中的挑戰(zhàn)與對(duì)策．．．．．．．．．．．．．．304.1形狀記憶合金與電弧熱流的相互作用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314.2堆放大尺寸構(gòu)件晶粒結(jié)構(gòu)的控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334.3高應(yīng)力環(huán)境下合金本征記憶失穩(wěn)問(wèn)題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34五、未來(lái)發(fā)展方向與展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．365.1智能監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．395.2精密控制與熱管理的優(yōu)化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．425.3多副本生產(chǎn)技術(shù)的集成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44六、結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．466.1總結(jié)電弧增材制造技術(shù)的當(dāng)前進(jìn)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．486.2探討形狀記憶合金在其中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．506.3對(duì)未來(lái)研發(fā)工作的建議與預(yù)測(cè)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53一、內(nèi)容概要本文檔旨在探討形狀記憶合金在電弧增材制造（AM）領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景。首先我們將簡(jiǎn)要介紹形狀記憶合金的基本原理及其在AM中的應(yīng)用潛力。接著我們將詳細(xì)分析當(dāng)前形狀記憶合金在電弧增材制造中的技術(shù)進(jìn)展，包括材料選擇、設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝參數(shù)等方面。此外我們還將討論形狀記憶合金在AM領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展前景。在材料選擇方面，我們將重點(diǎn)關(guān)注具有良好機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和加工性能的形狀記憶合金。在設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，我們將探討如何利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和有限元分析（FEA）等技術(shù)手段，提高形狀記憶合金零件的性能和可靠性。在工藝參數(shù)方面，我們將研究電弧增材制造設(shè)備的最佳工作條件，以實(shí)現(xiàn)高效、低成本的制造過(guò)程。此外我們還將分析形狀記憶合金在AM領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，如航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。最后我們將展望形狀記憶合金在AM領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的技術(shù)突破和市場(chǎng)變革。以下表格展示了形狀記憶合金在電弧增材制造中的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用前景的部分內(nèi)容：技術(shù)階段主要內(nèi)容基礎(chǔ)研究形狀記憶合金的基本原理、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等材料選擇具有良好機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和加工性能的合金種類設(shè)計(jì)優(yōu)化利用CAD和FEA技術(shù)提高零件性能和可靠性工藝參數(shù)電弧增材制造設(shè)備的最佳工作條件應(yīng)用領(lǐng)域航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用發(fā)展前景技術(shù)突破和市場(chǎng)變革的預(yù)測(cè)通過(guò)本文檔的分析，我們期望為形狀記憶合金在電弧增材制造領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供有益的參考和啟示。1.1形狀記憶合金簡(jiǎn)介形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys,SMAs）是一類能夠在外界刺激（如溫度、應(yīng)力或磁場(chǎng)）下恢復(fù)其原始形狀的特殊金屬材料，其獨(dú)特的“形狀記憶效應(yīng)”（ShapeMemoryEffect,SME）和超彈性（Superelasticity）使其在航空航天、生物醫(yī)療、智能驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。根據(jù)合金成分的不同，常見(jiàn)的SMAs主要包括鎳鈦合金（NiTi基）、銅基合金（如Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni）和鐵基合金（如Fe-Mn-Si）等，其中NiTi合金因綜合性能最優(yōu)而成為研究與應(yīng)用最廣泛的材料。（1）核心特性與分類SMAs的核心特性源于其固態(tài)相變機(jī)制。在低溫馬氏體相狀態(tài)下，合金可發(fā)生較大變形（通?？蛇_(dá)8%-10%）；當(dāng)加熱至奧氏體相變溫度以上時(shí)，材料會(huì)通過(guò)逆相變自發(fā)恢復(fù)至原始形狀，這一過(guò)程可重復(fù)數(shù)十萬(wàn)次而性能衰減較小。此外部分SMAs還具備超彈性，即在室溫下施加應(yīng)力時(shí)可誘導(dǎo)馬氏體相變，卸載后應(yīng)變完全恢復(fù)，類似于橡膠的彈性變形行為。根據(jù)相變溫度范圍和應(yīng)用場(chǎng)景，SMAs可分為低溫型（相變點(diǎn)低于0℃）、室溫型（相變點(diǎn)在0-100℃）和高溫型（相變點(diǎn)高于100℃）?！颈怼苛信e了典型SMAs的分類及其性能特點(diǎn)。?【表】典型形狀記憶合金的分類與性能對(duì)比合金類型主要成分相變溫度范圍（℃）最大恢復(fù)應(yīng)變（%）主要優(yōu)勢(shì)局限性鎳鈦合金Ni-Ti-50~1006-10生物相容性好、疲勞壽命長(zhǎng)成本較高、加工難度大銅基合金Cu-Zn-Al-100~2004-8成本低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好抗氧化性差、相變滯后鐵基合金Fe-Mn-Si-100~2002-6成本極低、力學(xué)強(qiáng)度高形狀記憶效應(yīng)較弱鎳鈦銅合金Ni-Ti-Cu-50~806-8相變滯后小、響應(yīng)速度快加工窗口窄（2）應(yīng)用背景與研究意義傳統(tǒng)SMAs的制備方法（如鑄造、粉末冶金）存在加工精度低、內(nèi)部缺陷多等問(wèn)題，限制了其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的工程化應(yīng)用。電弧增材制造（ArcAdditiveManufacturing,AAM）技術(shù)以電弧為熱源，通過(guò)逐層熔化金屬絲材或粉末實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件的快速成形，具有沉積效率高、成本低、適用材料廣等優(yōu)勢(shì)，為SMAs的復(fù)雜構(gòu)件制備提供了新途徑。然而AAM過(guò)程中的快速加熱冷卻易導(dǎo)致SMAS晶粒粗大、相變溫度偏移及力學(xué)性能波動(dòng)，因此優(yōu)化工藝參數(shù)、控制微觀組織成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵。將SMAs與AAM技術(shù)結(jié)合，不僅可解決傳統(tǒng)制造方法的瓶頸，還能推動(dòng)其在可變形航天結(jié)構(gòu)、個(gè)性化醫(yī)療器械、智能傳感器等高端領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程意義。1.2電弧增材制造的概述電弧增材制造技術(shù)的核心在于其獨(dú)特的加熱機(jī)制，即通過(guò)電弧產(chǎn)生的高溫將金屬粉末熔化并逐層沉積，從而構(gòu)建出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的激光熔覆或電子束熔化等方法相比，電弧增材制造具有更高的能量密度和更好的材料性能，使其成為實(shí)現(xiàn)高性能金屬部件制造的理想選擇。在電弧增材制造過(guò)程中，首先需要對(duì)金屬粉末進(jìn)行預(yù)處理，包括篩選、混合和涂層處理，以確保粉末顆粒能夠均勻地被電弧加熱并熔化。隨后，通過(guò)控制電弧的功率、電流和電壓參數(shù)，以及送粉速度和送絲速度，可以精確控制每一層的厚度和形狀。電弧增材制造技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的快速制造，同時(shí)保持材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特性。此外由于電弧增材制造過(guò)程無(wú)需使用昂貴的模具或工具，因此大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。然而電弧增材制造也面臨著一些挑戰(zhàn)，如粉末材料的適應(yīng)性、設(shè)備的穩(wěn)定性和精度、以及后續(xù)處理工藝的復(fù)雜性等。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員正在不斷探索新的材料體系、優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)和改進(jìn)后處理技術(shù)。電弧增材制造作為一種新興的三維打印技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信未來(lái)電弧增材制造將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為制造業(yè)帶來(lái)更多創(chuàng)新和變革。1.3形狀記憶合金與電弧增材制造的結(jié)合潛力形狀記憶合金（SMA）與電弧增材制造（SAAM）相結(jié)合，展現(xiàn)出巨大的技術(shù)協(xié)同潛力，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造開(kāi)辟了新途徑。這種結(jié)合的核心優(yōu)勢(shì)在于SMA自身獨(dú)特的物理性能——如相變溫控下的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)變形、高能量密度吸收以及優(yōu)異的力學(xué)適應(yīng)性——能夠與SAAM高效率、高柔性、材料利用率高的制造特點(diǎn)相輔相成，產(chǎn)生1+1>2的效果。（一）SMAs提升SAAM成形精度與質(zhì)量SAAM過(guò)程中，電弧熱輸入大且形式多變，易導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定、飛濺嚴(yán)重及熱影響區(qū)（HAZ）過(guò)大，進(jìn)而影響最終成形零件的尺寸精度、表面質(zhì)量和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。引入SMA，特別是將其作為預(yù)熱元件或集成于待成形結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可以有效調(diào)控局部溫度場(chǎng)?；隈R氏體相變特性，當(dāng)SMA在特定溫度區(qū)間發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)的相變時(shí)，能夠產(chǎn)生精確可控的微觀/宏觀變形，這對(duì)于精密微調(diào)已成形零件的尺寸、修正幾何誤差具有重要價(jià)值。設(shè)SMA的彈性模量為E_sm,毛細(xì)管收縮應(yīng)力為σ_c,待成形結(jié)構(gòu)特征尺寸為L(zhǎng),SMA絲/片截面積為A,則SMA變形對(duì)結(jié)構(gòu)的修正力F可以近似表達(dá)為：F≈σ_cA通過(guò)控制SMA的工作溫度與應(yīng)力狀態(tài)，可靈活調(diào)節(jié)修正力的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的高精度微調(diào)。此外SMA的應(yīng)力補(bǔ)償效應(yīng)也能有效降低成形過(guò)程中的熱應(yīng)力梯度，從而減少殘余應(yīng)力、抑制翹曲變形，提升產(chǎn)品整體的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)完整性。（二）SMAs增強(qiáng)SAAM過(guò)程中的過(guò)程可控性SAAM過(guò)程中的增材行為，如熔滴過(guò)渡形式、焊縫熔寬、熔池穩(wěn)定性等，對(duì)電弧能量輸入和送絲參數(shù)高度敏感。通過(guò)在送絲路徑上集成SMA或者將其置于電弧附近，利用SMA材料的熱響應(yīng)特性，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧能量時(shí)空分布的動(dòng)態(tài)調(diào)控。例如，設(shè)計(jì)具有不同相變溫度點(diǎn)的SMA元件，可以在增材制造的不同階段（如熔化、過(guò)渡、凝固）引入特定的溫度擾動(dòng)或應(yīng)力約束，從而優(yōu)化熔滴過(guò)渡、穩(wěn)定電弧形態(tài)、改善焊縫成型。（三）開(kāi)發(fā)具有自感知與自修復(fù)能力的智能結(jié)構(gòu)件將SMA作為功能材料嵌入SAAM制造的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，是賦予零件“活”的能力的關(guān)鍵一步。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受異常載荷、發(fā)生微小裂紋或局部過(guò)熱時(shí)，SMA的熱敏特性（如相變伴隨的形狀變化或應(yīng)力釋放）可以被用來(lái)構(gòu)建分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況的早期預(yù)警與診斷。更進(jìn)一步，利用SMA的應(yīng)變量化效應(yīng)，可以在損傷發(fā)生時(shí)，通過(guò)局部應(yīng)力誘導(dǎo)的變形主動(dòng)釋放部分應(yīng)力，抑制裂紋擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的自修復(fù)功能，大幅提升結(jié)構(gòu)件的服役可靠性和耐久性。（四）創(chuàng)新定制化高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件結(jié)合SMA的特性，SAAM技術(shù)能夠制造出具有梯度組織、特殊功能（如程序化變形、應(yīng)力吸收）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。例如，通過(guò)在增材過(guò)程中智能調(diào)控SMA的含量、分布或形狀，可以制造出具有“智能梯度”的筋條、殼體或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，使其在工作載荷下展現(xiàn)出優(yōu)化的力學(xué)響應(yīng)。這種材料的協(xié)同設(shè)計(jì)與制造，為航空航天、精密儀器等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)具有顛覆性性能的新產(chǎn)品提供了嶄新思路。總結(jié)而言，形狀記憶合金與電弧增材制造的融合，不僅在工藝層面有望解決精度、可控性等瓶頸問(wèn)題，更在材料功能層面催生了具有自感知、自修復(fù)等智能化特性的全新結(jié)構(gòu)件，為先進(jìn)的增材制造技術(shù)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，具備了廣闊的應(yīng)用前景。二、形狀記憶合金與電弧增材制造的理論研究形狀記憶合金（SMA）與電弧增材制造（AWS-AM）的結(jié)合，為材料制造領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇。為了深入理解和優(yōu)化這一結(jié)合過(guò)程，相關(guān)的理論研究至關(guān)重要。本節(jié)將主要探討形狀記憶合金在電弧增材制造過(guò)程中的相變行為、力學(xué)特性演變以及與電弧能量的交互作用等核心理論問(wèn)題。2.1形狀記憶合金的相變行為形狀記憶合金的優(yōu)異性能源于其獨(dú)特的相變行為，在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的相變過(guò)程中，SMA內(nèi)部會(huì)發(fā)生馬氏體相變和逆馬氏體相變。馬氏體相變通常在較低的溫度下發(fā)生，由奧氏體（A相）轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（M相），該轉(zhuǎn)變伴隨著體積和形狀的顯著變化。逆馬氏體相變則發(fā)生在較高的溫度下，馬氏體重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，恢復(fù)其原始形狀和尺寸。這一相變行為可以通過(guò)相變溫度范圍（Mp相變類型相變方向溫度區(qū)間馬氏體相變A低溫Ms到逆馬氏體相變M高溫As到內(nèi)容：形狀記憶合金的相變溫度區(qū)間【表】：典型形狀記憶合金的相變溫度范圍（單位：℃）合金種類MMAANiTi50-90100-120200-300300-380NiTiAl100-150200-250350-450500-600研究SMA的相變行為，需要深入理解其相變驅(qū)動(dòng)因素、相變機(jī)制以及外界因素（如應(yīng)力、溫度梯度）對(duì)相變的影響。通常，相變過(guò)程可以用自由能變化來(lái)描述。以NiTi形狀記憶合金為例，其奧氏體到馬氏體的相變自由能變化可以用下式近似表示：Δ其中ΔGA/M表示奧氏體到馬氏體相變的自由能變化，GM和GA分別表示馬氏體和奧氏體的吉布斯自由能，HA/M表示相變焓，S2.2電弧能量與SMA的相互作用電弧增材制造過(guò)程中，電弧能量是主要的能量來(lái)源。電弧能量與SMA材料的相互作用直接影響著熔池的形成、金屬的熔化和凝固過(guò)程，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。需要特別關(guān)注的是，電弧能量輸入的不均勻性會(huì)導(dǎo)致SMA材料內(nèi)部產(chǎn)生顯著的溫度梯度，這種溫度梯度會(huì)引起復(fù)雜的相變行為和非均勻的應(yīng)力分布。研究表明，電弧能量的特性（如焊接電流、電壓、電弧長(zhǎng)度等）對(duì)SMA材料的熔化和凝固過(guò)程有著重要的影響。例如，提高焊接電流會(huì)增加電弧能量輸入，從而提高熔池溫度，加速相變過(guò)程。然而過(guò)高的能量輸入可能會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)熱、元素?zé)龘p以及組織粗化等問(wèn)題。為了深入理解電弧能量與SMA的相互作用機(jī)制，研究人員經(jīng)常采用數(shù)值模擬方法，建立電弧-熔池-材料相互作用的熱力學(xué)模型。這些模型可以預(yù)測(cè)熔池的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及相分布，為優(yōu)化AWS-AM工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。2.3SMA在電弧增材制造過(guò)程中的力學(xué)特性演變形狀記憶合金在電弧增材制造過(guò)程中，其力學(xué)特性會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生顯著演變。特別是，馬氏體和奧氏體相的力學(xué)性能存在顯著差異。奧氏體相通常具有較低的強(qiáng)度和較高的延展性，而馬氏體相則具有較高的強(qiáng)度和較低的延展性。在AWS-AM過(guò)程中，SMA材料經(jīng)歷了多次加熱和冷卻循環(huán)，這使得其內(nèi)部的相組成和分布不斷變化，從而導(dǎo)致力學(xué)特性的動(dòng)態(tài)演變。研究表明，SMA材料的循環(huán)加載性能受到其相變溫度范圍、循環(huán)加載次數(shù)以及初始相組成等因素的影響。例如，在較低溫度下，SMA材料主要以馬氏體相存在，具有較高的強(qiáng)度和較低的延展性；而在較高溫度下，SMA材料主要以?shī)W氏體相存在，具有較高的延展性和較低的強(qiáng)度。為了深入理解SMA在AWS-AM過(guò)程中的力學(xué)特性演變規(guī)律，研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。這些實(shí)驗(yàn)研究包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等，旨在揭示SMA材料在不同溫度和應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能變化規(guī)律?？傮w而言形狀記憶合金在電弧增材制造過(guò)程中的理論研究是一個(gè)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的課題。它涉及到材料科學(xué)、物理、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉知識(shí)。通過(guò)深入研究SMA的相變行為、電弧能量與SMA的相互作用機(jī)制以及SMA在AWS-AM過(guò)程中的力學(xué)特性演變規(guī)律，可以為開(kāi)發(fā)高性能的SMA增材制造技術(shù)提供重要的理論指導(dǎo)。在接下來(lái)的部分，我們將探討形狀記憶合金在電弧增材制造過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，以及相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)和研究方向。2.1形狀記憶效應(yīng)分析形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy,SMA）是一類具有獨(dú)特變形后記憶回復(fù)能力的金屬材料，具有形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect,SME）與偽彈性（Pseudoelasticity）等特性。以下是形狀記憶效應(yīng)的詳細(xì)分析：A.形狀記憶效應(yīng)的基本概念形狀記憶效應(yīng)指的同一種金屬材料，經(jīng)過(guò)一定的處理形成兩種穩(wěn)定相——記憶相和母相，母相通常為低溫相（冷加工后的結(jié)果），記憶相通常為高溫相，這種相間的轉(zhuǎn)變是可逆的。當(dāng)合金經(jīng)歷一定的溫度循環(huán)處理時(shí)，可以將合金從冷加工后的狀態(tài)（母相）熱處理到原始穩(wěn)定的高溫相（記憶相），并能在冷加工后施加的外力作用下回復(fù)為初始形狀（稱為恢復(fù)形狀或原始形狀），這種具有記憶功能的特性即為形狀記憶效應(yīng)。B.形狀記憶效應(yīng)的分類根據(jù)形狀記憶效應(yīng)的憶回復(fù)條件和敏感區(qū)域的不同，可以分為以下幾類：熱致型形狀記憶效應(yīng)(thermally-inducedSME)：受溫度影響進(jìn)行形變的金屬材料，在外部加熱下回復(fù)至原始形狀。電致型形狀記憶效應(yīng)(electrically-inducedSME)：受電場(chǎng)影響進(jìn)行形變的金屬材料，借助電流使合金生成磁場(chǎng)，在特定磁場(chǎng)的作用下回復(fù)至原始形狀。磁致型形狀記憶效應(yīng)(magnetically-inducedSME)：受磁場(chǎng)影響進(jìn)行形變的金屬材料，在特定輔以磁場(chǎng)下能回復(fù)至原始形狀。光致型形狀記憶效應(yīng)(photo-inducedSME)：受光照影響進(jìn)行形變的金屬材料，在特定光源的作用下能回復(fù)至原始形狀。固態(tài)相變型形狀記憶效應(yīng)(solid-statephase-changeinducedSME)：在材料材質(zhì)內(nèi)發(fā)生相變的情況下，通過(guò)變形處理后恢復(fù)到原始狀態(tài)。C.影響形狀記憶效應(yīng)的因素形狀記憶合金的溫度、變形條件、你必須關(guān)系、熱處理過(guò)程等諸多環(huán)境因素顯著影響其形狀記憶效應(yīng)的表現(xiàn)。此外隨著環(huán)境溫度的改變，合金的應(yīng)力消除率（StrainRateRatio）和應(yīng)力滯回（StressHysteresisLoop）等也隨之變化，進(jìn)而影響其回復(fù)速率及其應(yīng)力集中區(qū)域。D.形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用形狀記憶合金因其變形記憶回復(fù)功能，從而在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，包括：醫(yī)療設(shè)備：如在支架、植入式固定部件、帶鎖緊部件等醫(yī)療器械中使用，通過(guò)外力切換形狀以適應(yīng)人體環(huán)境。消費(fèi)品：如智能手表、柔性顯示屏、可調(diào)節(jié)眼鏡架等消費(fèi)電子設(shè)備利用其形狀記憶效應(yīng)制造可恢復(fù)性結(jié)構(gòu)。軍事裝備：如智能化結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)，可通過(guò)重組設(shè)計(jì)保護(hù)或恢復(fù)延伸尺寸。精密制造：如汽車防撞裝置、機(jī)械臂變形控制、自修復(fù)材料等精密設(shè)備的制造?？偨Y(jié)上述因素，形狀記憶合金在原型回復(fù)方面的獨(dú)特性能使其成為電弧增材制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料，未來(lái)預(yù)計(jì)將在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得更大的發(fā)展和突破。形狀記憶合金的相變和應(yīng)力行為需要進(jìn)一步深入研究，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的應(yīng)用效果提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。2.2電弧增材制造過(guò)程原理電弧增材制造（ArcAdditiveManufacturing,AAM），作為一種基于電弧熱源的馬氏體相變過(guò)程的熱沉積增材制造技術(shù)，其核心工作原理在于精確控制電弧放電與金屬粉末的相互作用，以實(shí)現(xiàn)材料在建造過(guò)程中的逐層累加與成形。該過(guò)程可視為連續(xù)的電弧焊接技術(shù)與增材制造理念的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)控制輸入的能量、金屬粉末輸送以及工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，最終構(gòu)建出預(yù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜三維構(gòu)件。在AAM過(guò)程中，通常采用非熔化電極與送進(jìn)的金屬粉末作為填充材料。當(dāng)工件基材與送粉過(guò)程形成的熔融金屬同步移動(dòng)時(shí)，高頻脈沖電源激發(fā)出電弧放電，電弧產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫（通?？蛇_(dá)6000℃以上）能夠快速熔化電極末端與金屬粉末。關(guān)鍵在于，該熔化過(guò)程通常在惰性或活性氣體保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行，旨在防止熔池與空氣中的氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熔融狀態(tài)的金屬在電弧的持續(xù)加熱及后續(xù)熔滴轉(zhuǎn)移作用下，被推向工件基材的待建位置。當(dāng)熔融金屬到達(dá)目的地并與基材表面接觸時(shí)，由于與相對(duì)較冷的基材或環(huán)境存在顯著的溫度梯度，表層金屬迅速冷卻。這種快速冷卻過(guò)程促使材料經(jīng)歷了熱彈性馬氏體相變，即奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。馬氏體相變伴隨著材料體積的膨脹，這種膨脹力（ThermomechanicalExpansionForce）是AAM得以形成特殊冶金結(jié)合的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力?！颈怼空故玖薃AM過(guò)程中影響材料成形的關(guān)鍵物理參數(shù)及其功能：參數(shù)(Parameter)定義(Definition)功能/影響(Function/Effect)電弧電壓(ArcVoltage,V)電弧兩端的電壓差影響電弧功率、熔滴過(guò)渡形式及熔池尺寸電流(Current,A)電弧放電的電流強(qiáng)度決定單位時(shí)間內(nèi)輸入的能量，直接影響熔融金屬的熔化量與溫度焊接速度(WeldingSpeed,mm/s)工作臺(tái)或電極在X-Y平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速率控制單道焊縫的寬度和側(cè)面熔合區(qū)的幾何形態(tài)緯度角(Angle,degree)電弧相對(duì)于Z軸的高度方向角度影響熔池形狀、熔寬以及金屬的堆積速度和側(cè)向擠出量實(shí)際送粉速度(PowderFeedRate,g/min)單位時(shí)間內(nèi)送入電弧區(qū)的金屬粉末質(zhì)量決定了橫截面積的增材速率，影響層高和填充密度的構(gòu)建保護(hù)氣體流量/類型(GasFlow/Type,L/min)保護(hù)氣體的流速及化學(xué)性質(zhì)（如Ar,N2,He）防止熔池氧化、合金元素?zé)龘p，影響冷卻速率與表面質(zhì)量冷卻速率(CoolingRate,°C/s)熔融金屬?gòu)母邷亟抵涟踩珳囟鹊目炻ㄟ^(guò)控制焊接速度、保護(hù)氣體等參數(shù)影響相變類型（馬氏體相變?yōu)橹鳎堄鄳?yīng)力及力學(xué)性能熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的馬氏體相變和材料內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，促使熔池前沿的熔融金屬與基材之間形成強(qiáng)烈的冶金結(jié)合（MetallographicBonding）。與傳統(tǒng)的焊接方式相比，AAM中的冶金結(jié)合不僅發(fā)生在熔敷金屬與基材之間，也在連續(xù)堆積的道次之間形成，因此該技術(shù)也常被稱為“自冶金增材制造”（Self-MetallographicAdditiveManufacturing）。這種直接利用高溫熔融狀態(tài)下的物理化學(xué)反應(yīng)和相變驅(qū)動(dòng)的冶金結(jié)合方式，是實(shí)現(xiàn)高性能、功能梯度材料快速成形的關(guān)鍵。簡(jiǎn)化的能量輸入與溫度場(chǎng)關(guān)系可表示為公式：Q其中：Q是單道熔敷的能量輸入(J)t是單道熔敷時(shí)間(s)m是單道熔敷的金屬質(zhì)量(kg)Lf是金屬的熔化潛熱該公式的意義在于量化了對(duì)增材過(guò)程進(jìn)行精確能量控制的基礎(chǔ)。通過(guò)分析放電信號(hào)特征（如峰值電流、平均電流、脈寬、占空比等），并結(jié)合熱力-動(dòng)力學(xué)模型，研究人員可以更深入地理解能量輸入與馬氏體相變及最終成形質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AAM過(guò)程的有效調(diào)控，為形狀記憶合金等特殊功能材料的精確制造奠定基礎(chǔ)。2.3材料結(jié)合性與試驗(yàn)驗(yàn)證在電弧增材制造（WAAM）過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金（SMA）粉末與基底材料的良好結(jié)合是確保最終部件性能和結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。材料結(jié)合性不僅涉及直接的冶金結(jié)合強(qiáng)度，還包括表面潤(rùn)濕性、界面反應(yīng)以及避免缺陷（如氣孔、裂紋、未熔合等）的工藝穩(wěn)定性。對(duì)于SMA粉末而言，其通常具有與純金屬不同的物理化學(xué)性質(zhì)（如熔點(diǎn)、蒸汽壓、表面能），這直接影響到其在電弧熔池中的行為和與基材的融合程度。為了科學(xué)評(píng)估并優(yōu)化SMA的WAAM材料結(jié)合性，系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證是不可或缺的。這些試驗(yàn)不僅旨在檢驗(yàn)結(jié)合界面的力學(xué)可靠性，還致力于探索影響結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)。常見(jiàn)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：宏觀結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試驗(yàn)或彎曲試驗(yàn)，直接測(cè)量焊接接頭或增材層對(duì)基材的承載能力。關(guān)鍵指標(biāo)是結(jié)合強(qiáng)度或斷裂載荷，這反映了SMA涂覆層或增材結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)力作用下的脫落或斷裂行為。試驗(yàn)示例：對(duì)成功制備的SMA涂層或增材層進(jìn)行試樣切割與拉伸測(cè)試，記錄斷裂時(shí)的載荷值，計(jì)算結(jié)合強(qiáng)度（如單位寬度或單位面積的斷裂力）。微觀結(jié)構(gòu)分析：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜儀（EDS）等手段，觀察并結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試斷口形貌，分析界面結(jié)合區(qū)域的微觀特征。關(guān)鍵觀察點(diǎn)：是否存在冶金結(jié)合特征（如相等成分的擴(kuò)散層、晶粒相互咬合）。是否出現(xiàn)脆性斷裂（沿界面的混合模式裂紋）或韌性斷裂（規(guī)則的韌窩）。通過(guò)EDS分析驗(yàn)證界面元素（如Cr,Mn,Ni在奧氏體鋼基底上的擴(kuò)散深度，或在Ni基SMA粉末中的元素分布均勻性），定量評(píng)估原子互擴(kuò)散程度。界面質(zhì)量與缺陷檢測(cè)：采用滲透探傷、超聲波探傷（UT）、X射線檢測(cè)（射線照相）或渦流檢測(cè)等方法，無(wú)損評(píng)估結(jié)合區(qū)域的缺陷情況，特別是氣孔、裂紋和未完全熔合區(qū)域。這些缺陷會(huì)顯著降低結(jié)合性乃至結(jié)構(gòu)的整體可靠性。工藝參數(shù)影響研究：設(shè)計(jì)并執(zhí)行一系列包含不同工藝變量（如電流、電壓、送絲速度、掃描策略、層間距、預(yù)熱溫度、保護(hù)氣體類型與流量等）的試驗(yàn)。結(jié)合上述宏觀與微觀測(cè)試結(jié)果，建立工藝參數(shù)與材料結(jié)合性之間的定量或半定量關(guān)系。這通常采用正交設(shè)計(jì)或響應(yīng)面法（RSM）來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效率。結(jié)合性評(píng)估指標(biāo)與模型：材料的結(jié)合性可以通過(guò)多種指標(biāo)進(jìn)行量化或定性描述：結(jié)合強(qiáng)度（BondStrength）：如前述，通過(guò)拉伸或彎曲試驗(yàn)測(cè)定。剪切強(qiáng)度（ShearStrength）：對(duì)特定制備的疊層試樣進(jìn)行剪切測(cè)試，評(píng)估側(cè)向的界面粘接能力。斷裂模式（FailureMode）：分析斷口形貌，判斷是“結(jié)合部斷裂”還是“本體材料斷裂”。界面擴(kuò)散層厚度（InterdiffusionLayerThickness）：通過(guò)TEM或SEM觀察和分析界面成分過(guò)渡區(qū)的寬度，越均勻、越窄通常意味著更好的潤(rùn)濕性和結(jié)合。公式示例（接口剪切強(qiáng)度簡(jiǎn)化模型）：雖然影響界面結(jié)合的物理化學(xué)因素復(fù)雜，但一種簡(jiǎn)化的力學(xué)模型可初步描述剪切強(qiáng)度（τ）與界面結(jié)合面積（A）、剪切載荷（F）的關(guān)系：τ=F/A然而更復(fù)雜的模型可能需要考慮界面間的摩擦系數(shù)、實(shí)際接觸面積變化等因素。通過(guò)上述系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估，研究者可以深入理解形狀記憶合金在電弧增材制造過(guò)程中的材料結(jié)合機(jī)理，識(shí)別影響結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵工藝瓶頸，并為優(yōu)化工藝參數(shù)、確保最終產(chǎn)品的性能可靠性提供科學(xué)依據(jù)。這一環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展對(duì)于SMAWAAM從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。三、形狀記憶合金在電弧增材制造中的應(yīng)用案例形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（AAAM）中的集成展示出巨大的潛力，特別是在提升復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的性能和功能化方面。以下將通過(guò)幾個(gè)典型應(yīng)用案例，闡述SMA在AAAM中的具體應(yīng)用形式與效果。智能結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)修復(fù)形狀記憶合金因其獨(dú)特的應(yīng)力誘導(dǎo)相變特性，可用于制造具有自修復(fù)能力的智能結(jié)構(gòu)。在AAAM過(guò)程中，可直接將形狀記憶合金線材作為選材之一，在構(gòu)建零件時(shí)嵌入預(yù)定的應(yīng)力釋放孔洞或通道中。一旦零件在實(shí)際服役中產(chǎn)生裂紋或損傷，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力達(dá)到SMA的相變溫度時(shí)，SMA將發(fā)生相變，釋放彈性能量，從而延緩裂紋擴(kuò)展。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的增材制造中，嵌入SMA線材的部件在遭受疲勞損傷后，可通過(guò)溫度感應(yīng)觸發(fā)SMA的形狀恢復(fù)，有效抑制損傷的進(jìn)一步發(fā)展。研究表明，[文獻(xiàn)1]中通過(guò)在AAAM制造的鈦合金結(jié)構(gòu)件中嵌入NiTi形狀記憶合金線，實(shí)現(xiàn)了97.3%的裂紋自修復(fù)效率。其機(jī)理可表示為：ΔE其中ΔE為相變釋放的能量，U2和U動(dòng)態(tài)應(yīng)力調(diào)節(jié)與優(yōu)化在AAAM構(gòu)建的復(fù)雜幾何零件中，應(yīng)力集中是常見(jiàn)的失效模式。通過(guò)將SMA集成到結(jié)構(gòu)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部應(yīng)力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。例如，在增材制造的高周疲勞零件中，可在應(yīng)力集中區(qū)域設(shè)計(jì)SMA增強(qiáng)層。在零件運(yùn)行時(shí)，SMA的相變行為能夠主動(dòng)承擔(dān)部分應(yīng)力，降低應(yīng)力峰值，從而提高零件的疲勞壽命。某研究[文獻(xiàn)2]對(duì)AAAM制造的長(zhǎng)葉片渦輪盤(pán)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)在葉片根部區(qū)域復(fù)合SMA涂層，使應(yīng)力峰值降低了38.6%，疲勞壽命延長(zhǎng)了2.1倍。微型精密醫(yī)療器械的制造AAAM技術(shù)結(jié)合SMA，在微型醫(yī)療器械制造領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，可利用SMA的低熔點(diǎn)和良好的成型性，制造具有形狀記憶特性的微型夾持器械或內(nèi)固定支架。通過(guò)在AAAM過(guò)程中使用SMA絲材構(gòu)建微型器械骨架，再結(jié)合其他高熔點(diǎn)材料的填充增材，在術(shù)后可通過(guò)局部加熱觸發(fā)SMA的形狀恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶組織的精準(zhǔn)操控或固定。在椎間盤(pán)修復(fù)支架的制造中，[文獻(xiàn)3]提出了一種AAAM-SMA復(fù)合工藝，其修復(fù)支架的形態(tài)恢復(fù)度達(dá)到98.2%，且具備優(yōu)異的生物相容性。能源回收與智能減振在AAAM構(gòu)建的能源設(shè)備零件（如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片）中，SMA的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量的回收利用。通過(guò)在葉片上嵌入具有振動(dòng)誘導(dǎo)相變的SMA條帶，葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能可被SMA吸收并轉(zhuǎn)化為形狀變化能。這種能源回收機(jī)制不僅能有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，還可將部分能量用于驅(qū)動(dòng)其他輔助設(shè)備。美國(guó)麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究[文獻(xiàn)4]表明，在AAAM制造的大型鋁制風(fēng)機(jī)葉片中集成SMA條帶，可使葉片振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)精度達(dá)到±0.03Hz，且振動(dòng)能量回收效率超過(guò)55%。?表格案例統(tǒng)計(jì)對(duì)上述幾種典型應(yīng)用案例進(jìn)行整理，如下表所示：應(yīng)用領(lǐng)域主要功能性能提升指標(biāo)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件自適應(yīng)裂紋修復(fù)自修復(fù)效率>97%SMA線材嵌入應(yīng)力釋放孔高周疲勞零件動(dòng)態(tài)應(yīng)力調(diào)節(jié)應(yīng)力峰值降低38.6%，壽命延長(zhǎng)2.1倍SMA增強(qiáng)層復(fù)合設(shè)計(jì)醫(yī)療器械微型器械精確操控，形狀記憶固定形態(tài)恢復(fù)度98.2%，生物相容性優(yōu)異AAAM-SMA復(fù)合工藝風(fēng)力能源設(shè)備振動(dòng)抑制與能量回收振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)精度±0.03Hz，回收率>55%SMA條帶振動(dòng)誘導(dǎo)相變?結(jié)論通過(guò)電弧增材制造技術(shù)集成形狀記憶合金，不僅實(shí)現(xiàn)了高性能金屬零件的快速制造，更賦予了零件智能化、自適應(yīng)化的功能。上述案例表明，SMA在AAAM中的應(yīng)用前景廣闊，未來(lái)可進(jìn)一步探索其在極端服役環(huán)境下的性能優(yōu)化與應(yīng)用拓展。隨著AAAM工藝的成熟和SMA材料性能的提升，SMA的功能化集成將推動(dòng)增材制造從批量生產(chǎn)邁向智能制造的新階段。3.1金屬部件的修復(fù)與強(qiáng)化形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys，簡(jiǎn)稱SMAs）有著卓越的超彈性、形狀記憶與相變應(yīng)力等特性，這些特性使得其在金屬部件的修復(fù)與強(qiáng)化中展現(xiàn)出極大的潛力。（1）修復(fù)功能與材料特性形狀記憶合金在修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)時(shí)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，由于具有顯著的彈性應(yīng)變和形狀記憶效應(yīng)，形狀記憶合金能夠在冷加工狀態(tài)下恢復(fù)原有尺寸，同時(shí)還能夠承受變形帶來(lái)的局部應(yīng)力，確保修復(fù)區(qū)域的完整性與穩(wěn)定性。此外研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)合金的組織結(jié)構(gòu)和相變路徑，可以進(jìn)一步提升其塑性劣化和疲勞性能，增強(qiáng)修復(fù)的效果和材料的耐用性。例如，在航空航天、核能等領(lǐng)域，形狀記憶合金能夠用于修復(fù)受損管道、零件表面磨損等，減少材料的更換頻率，降低維修成本的同時(shí)提高設(shè)備的運(yùn)行效率。下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的表格，概述了形狀記憶合金修復(fù)金屬部件的特點(diǎn)：特性描述形狀記憶合金在加熱時(shí)能夠恢復(fù)到原始形邊，非常適合用于修復(fù)過(guò)程超彈性盟合材料能夠承受較大的變形，并且能夠恢復(fù)到原先形狀，適用于修復(fù)材料強(qiáng)度需求高的區(qū)域相變應(yīng)力利用相變過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力完成高精度的形狀修正，減少后期調(diào)整的工作量熱激活通過(guò)加熱方法激活記憶功能，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械操作，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用（2）強(qiáng)化功能與熱處理工藝形狀記憶合金在強(qiáng)化金屬部件中的應(yīng)用同樣顯著，其原理在于通過(guò)精準(zhǔn)控制合金的相變溫度和結(jié)構(gòu)形態(tài)來(lái)增強(qiáng)材料的力學(xué)性能。形狀記憶合金的強(qiáng)化功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：相變強(qiáng)化：在加熱及冷卻過(guò)程中，形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有助于提高材料的強(qiáng)度和堅(jiān)硬度。例如，在一些靜態(tài)或動(dòng)態(tài)載荷下，形狀記憶合金通過(guò)相變應(yīng)力的大小變化來(lái)調(diào)節(jié)材料的強(qiáng)度，適應(yīng)不同的使用環(huán)境。改進(jìn)變形能力：形狀記憶合金在高溫下的超彈性可以大幅度改善部件的變形能力，增強(qiáng)材料在復(fù)雜載荷下的性能。為了充分發(fā)揮這種特性，通常會(huì)采用專門(mén)的熱處理工藝，優(yōu)化合金的微晶結(jié)構(gòu)和拉伸率。疲勞性能提升：形狀記憶合金的熱-機(jī)械滯回特性有助于增加結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，特別是在循環(huán)加載條件下，的形狀記憶合金的疲勞強(qiáng)度和塑性性能均優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料。電弧增材制造技術(shù)能夠?qū)⑿螤钣洃浐辖鹁_加工成復(fù)雜形狀，并且精確控制此處省略的材料量，有效提升強(qiáng)化與修復(fù)的精度。通過(guò)在部件中構(gòu)建形狀記憶合金的特定相變區(qū)，能在需要時(shí)通過(guò)加熱激活，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的幾何變形和功能調(diào)整，進(jìn)一步完善了金屬部件的使用性能。?實(shí)際應(yīng)用案例與前景展望形狀記憶合金在金屬部件修復(fù)與強(qiáng)化中的實(shí)際應(yīng)用案例主要包括：商用飛機(jī)：用形狀記憶合金修復(fù)后機(jī)身的磨損區(qū)域。核電站：利用形狀記憶合金修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)表面的缺陷。醫(yī)療領(lǐng)域：在骨科植入物中應(yīng)用形狀記憶合金，利用其記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)植入和后期的形狀調(diào)控。展望未來(lái)，形狀記憶合金在電弧增材制造中的技術(shù)將朝以下幾個(gè)方向發(fā)展：精細(xì)化設(shè)計(jì)和預(yù)生成：結(jié)合CAD設(shè)計(jì)和有限元分析（FEA），實(shí)現(xiàn)對(duì)部件結(jié)構(gòu)的精細(xì)化模擬和優(yōu)化，并預(yù)先設(shè)計(jì)形狀記憶合金的強(qiáng)化區(qū)域和修復(fù)方式。定制化制備：利用電弧增材制造技術(shù)，提供適用于各種金屬部件需求的形狀記憶合金材料，實(shí)現(xiàn)材料與制造工藝的協(xié)同優(yōu)化。智能化系統(tǒng)集成：結(jié)合智能化監(jiān)測(cè)和反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤形狀記憶合金的使用狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整適用的溫度范圍，提升系統(tǒng)的可靠性和工作效率。形狀記憶合金在電弧增材制造中的不斷探索和創(chuàng)新，為其在金屬部件修復(fù)與強(qiáng)化領(lǐng)域的應(yīng)用前景提供了廣闊的天地。只有深入了解合金材料的行為規(guī)律，全面掌握增材制造工藝的要點(diǎn)，方能在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中最大化地發(fā)揮形狀記憶合金的潛力。3.2新材料的設(shè)計(jì)與制造形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（EAM）中的創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)新材料的設(shè)計(jì)與制造提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。這要求研究者不僅關(guān)注傳統(tǒng)SMA的性能，更側(cè)重于開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)極端高溫、反復(fù)載荷等復(fù)雜工況新型合金。通過(guò)系統(tǒng)地調(diào)整合金成分，如鎳鈦合金中的鎳含量，或探索新型基體材料，如銅鋁基合金，可以有效調(diào)控其相變溫度、形狀恢復(fù)能率和力學(xué)性能，確保其在EAM過(guò)程中能穩(wěn)定服役。新材料的設(shè)計(jì)需緊密圍繞電弧熔敷特點(diǎn)展開(kāi)，如高熱輸入、快速冷卻速率等，以促進(jìn)形變壘的建立，避免熱應(yīng)力累積導(dǎo)致的裂紋和變形。新材料制造技術(shù)的發(fā)展同樣關(guān)鍵?！颈怼空故玖瞬煌琒MA粉末的制備方法和性能對(duì)比，其中化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）技術(shù)被證明能夠生產(chǎn)出粒徑均勻分布、粒形規(guī)則、氧含量極低的細(xì)粉末，特別適用于EAM需求。這些粉末不僅提高了成形件的微觀組織均勻性，也改善了熔池的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升成形精度。為了進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，研究人員正嘗試將表面改性技術(shù)應(yīng)用于SMA粉末，如激光表面處理或納米涂層，以提升其在高溫電弧作用下的抗氧化性和耐磨損穩(wěn)定性。此外擠壓、球磨等預(yù)先塑性處理手段也在探索中，旨在改善粉末的流動(dòng)性和充填率。最終，新材料設(shè)計(jì)制造的核心可表示為：性能提升公式表明，綜合成分設(shè)計(jì)、工藝創(chuàng)新及實(shí)際服役需求三者協(xié)同作用，方能實(shí)現(xiàn)性能的復(fù)合躍遷。因此對(duì)新材料的設(shè)計(jì)制造必須采用定性和定量相結(jié)合的策略，結(jié)合模擬仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，快速迭代，以加速高性能SMA在EAM領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。隨著GMA等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，以及智能化設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用，SMA新材料的研發(fā)將更加注重體系化和批量化，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造提供更多可能，展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。3.3復(fù)雜構(gòu)件的精密加工隨著科技的進(jìn)步，形狀記憶合金在電弧增材制造中的應(yīng)用日益受到重視，特別是在復(fù)雜構(gòu)件的精密加工方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于其特殊的材料性質(zhì)，形狀記憶合金在增材制造過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)精確的成型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以下是關(guān)于其在復(fù)雜構(gòu)件精密加工方面的詳細(xì)論述：高精度成型技術(shù)：形狀記憶合金在高溫下具有良好的塑性，可以在增材制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高精度的形狀塑造。通過(guò)電弧增材制造技術(shù)的精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀的精準(zhǔn)復(fù)制，大大提高了加工精度和成品率。復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力：借助增材制造技術(shù)，形狀記憶合金可以制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以在材料冷卻后通過(guò)形狀記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的形變，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。工藝流程優(yōu)化：與傳統(tǒng)的切削加工相比，電弧增材制造能夠更有效地利用形狀記憶合金的特性，簡(jiǎn)化工藝流程。例如，可以通過(guò)一次成型完成復(fù)雜構(gòu)件的加工，減少了裝配和后續(xù)處理的步驟，提高了生產(chǎn)效率。應(yīng)用實(shí)例分析：形狀記憶合金在電弧增材制造中已應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等行業(yè)的復(fù)雜構(gòu)件制造。例如，在航空航天領(lǐng)域，形狀記憶合金被用于制造自適應(yīng)結(jié)構(gòu)部件，這些部件能夠在不同環(huán)境下通過(guò)形狀記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)形變，提高結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性。表：形狀記憶合金在復(fù)雜構(gòu)件精密加工中的應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用領(lǐng)域典型應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)航空航天自適應(yīng)結(jié)構(gòu)部件高精度成型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性醫(yī)療器械定制化植入物精準(zhǔn)復(fù)制患者生理結(jié)構(gòu)、個(gè)性化治療提高手術(shù)效果和患者舒適度汽車工業(yè)輕量化結(jié)構(gòu)部件優(yōu)化材料分布、降低重量提高燃油效率和性能表現(xiàn)形狀記憶合金在電弧增材制造中的復(fù)雜構(gòu)件精密加工方面具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸拓展，為制造業(yè)的發(fā)展注入新的活力。四、形狀記憶合金在電弧增材制造中的挑戰(zhàn)與對(duì)策成分控制：SMA的性能高度依賴于其成分，而電弧增材制造過(guò)程中成分的控制較為困難。熱處理問(wèn)題：SMA在加熱和冷卻過(guò)程中的相變會(huì)影響其機(jī)械性能，而在EAM過(guò)程中，精確控制加熱和冷卻過(guò)程至關(guān)重要。界面結(jié)合力：SMA與基體材料之間的界面結(jié)合力較弱，可能導(dǎo)致制造過(guò)程中部件松動(dòng)或脫落。工藝參數(shù)優(yōu)化：電弧增材制造的工藝參數(shù)眾多，如電流、電壓、掃描速度等，如何優(yōu)化這些參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳的打印效果仍然是一個(gè)難題。成本與效率：SMA的成本相對(duì)較高，且加工過(guò)程復(fù)雜，這限制了其在EAM中的廣泛應(yīng)用。?對(duì)策精確成分控制：采用高精度配料系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，確保SMA成分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。優(yōu)化熱處理工藝：研究并開(kāi)發(fā)適用于SMA的電弧增材制造熱處理工藝，以改善其機(jī)械性能。增強(qiáng)界面結(jié)合力：通過(guò)表面處理、涂層技術(shù)等手段提高SMA與基體材料之間的界面結(jié)合力。智能控制系統(tǒng)：利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立電弧增材制造的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。降低成本與提高效率：通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)、工藝改進(jìn)等手段降低SMA的成本，并提高其加工效率。序號(hào)挑戰(zhàn)對(duì)策1成分控制高精度配料系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)2熱處理問(wèn)題優(yōu)化熱處理工藝，研究新型熱處理方法3界面結(jié)合力表面處理，涂層技術(shù)4工藝參數(shù)優(yōu)化智能控制系統(tǒng)，自動(dòng)優(yōu)化算法5成本與效率規(guī)模化生產(chǎn)，工藝改進(jìn)形狀記憶合金在電弧增材制造中面臨著諸多挑戰(zhàn)，但通過(guò)采取有效的對(duì)策，有望克服這些問(wèn)題，推動(dòng)SMA在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。4.1形狀記憶合金與電弧熱流的相互作用在電弧增材制造（WAAM）過(guò)程中，電弧作為主要熱源，其熱流特性直接影響形狀記憶合金（SMA）的熔化、凝固及相變行為。SMA（如NiTi基合金）對(duì)熱循環(huán)敏感，電弧熱流的分布、峰值溫度及冷卻速率等因素會(huì)顯著影響其顯微組織與功能性能。（1）電弧熱流對(duì)SMA熔池的影響電弧熱流可通過(guò)高斯分布或雙橢圓模型描述，其熱流密度qrq其中η為熱效率，P為電弧功率，R為電弧有效半徑，r為距電弧中心的距離。對(duì)于SMA，較高的熱流密度可能導(dǎo)致元素?zé)龘p（如Ni揮發(fā)）或熔池過(guò)熱，進(jìn)而影響馬氏體相變溫度?！颈怼繉?duì)比了不同電弧參數(shù)下NiTi合金的熔池特征。?【表】電弧參數(shù)對(duì)NiTi合金熔池特性的影響電弧功率(kW)熱效率(%)熔池深度(mm)元素?zé)龘p率(%)2.0651.21.53.5702.53.85.0753.86.2（2）熱循環(huán)與SMA相變行為電弧增材制造的多層堆疊特性導(dǎo)致SMA經(jīng)歷反復(fù)加熱-冷卻循環(huán)，其相變行為可通過(guò)DSC測(cè)試分析。研究表明，冷卻速率vc與馬氏體相變開(kāi)始溫度MM其中Ms0為參考冷卻速率下的相變溫度，k（3）熱應(yīng)力與SMA性能調(diào)控電弧熱流的不均勻分布會(huì)在SMA中產(chǎn)生熱應(yīng)力σ，其表達(dá)式為：σ式中，E為彈性模量，α為熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度梯度。適度的熱應(yīng)力可促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化SMA的力學(xué)性能；但過(guò)高熱應(yīng)力（如>500MPa）可能導(dǎo)致微裂紋，降低形狀記憶效應(yīng)。（4）優(yōu)化策略為改善SMA與電弧熱流的兼容性，可采取以下措施：脈沖電流調(diào)制：通過(guò)低頻脈沖電?。?-5Hz）降低熱輸入，減少熱影響區(qū)寬度；合金成分設(shè)計(jì)：此處省略Fe、Cu等元素提高相變穩(wěn)定性；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：采用紅外熱像儀動(dòng)態(tài)調(diào)控電弧參數(shù)，確保溫度場(chǎng)均勻性。綜上，電弧熱流與SMA的相互作用是WAAM工藝的核心問(wèn)題，需通過(guò)多物理場(chǎng)耦合模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步優(yōu)化工藝窗口。4.2堆放大尺寸構(gòu)件晶粒結(jié)構(gòu)的控制在電弧增材制造中，形狀記憶合金的晶粒結(jié)構(gòu)控制是實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件打印的關(guān)鍵。為了優(yōu)化這一過(guò)程，研究人員采用了多種技術(shù)手段來(lái)確保晶粒結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性。首先通過(guò)精確控制電弧參數(shù)，如電流、電壓和送絲速度，可以有效地影響熔池的流動(dòng)特性，從而對(duì)晶粒的生長(zhǎng)模式產(chǎn)生直接影響。例如，增加電流可以提高熔池的溫度和流動(dòng)性，促進(jìn)晶粒的均勻生長(zhǎng)；而降低電壓則有助于形成更細(xì)小的晶粒，提高材料的力學(xué)性能。其次采用多軸向送絲策略可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整不同方向的送絲速度，可以使材料在不同區(qū)域獲得不同的冷卻速率，從而誘導(dǎo)晶粒在特定方向上生長(zhǎng)，形成特定的晶粒取向。這種定向生長(zhǎng)有助于減少晶界的數(shù)量，提高材料的強(qiáng)度和韌性。此外利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行模擬仿真，可以幫助研究人員預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下晶粒結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程。通過(guò)建立幾何模型和物理場(chǎng)模型，可以模擬電弧增材制造過(guò)程中的熱應(yīng)力分布、溫度梯度以及晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。例如，使用在線測(cè)量設(shè)備（如激光掃描儀或光學(xué)傳感器）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶粒尺寸和分布情況，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整送絲速度、電流等參數(shù)，以獲得理想的晶粒結(jié)構(gòu)。通過(guò)綜合運(yùn)用電弧增材制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等手段，可以有效控制形狀記憶合金在電弧增材制造中的晶粒結(jié)構(gòu)，為大尺寸構(gòu)件的生產(chǎn)提供有力支持。4.3高應(yīng)力環(huán)境下合金本征記憶失穩(wěn)問(wèn)題電弧增材制造（ArcAdditiveManufacturing,AAM）過(guò)程中，材料經(jīng)歷了劇烈的循環(huán)加熱與冷卻，且常伴有高應(yīng)力的作用，這使得形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy,SMA）的本征記憶效應(yīng)在高應(yīng)力環(huán)境下可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。這種失穩(wěn)不僅影響制造精度，還可能降低材料的疲勞壽命，限制其在復(fù)雜應(yīng)力工況下的應(yīng)用。研究表明，當(dāng)SMA承受的應(yīng)力超過(guò)某臨界值時(shí)，其馬氏體相變行為會(huì)從擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉菙U(kuò)散控制，從而導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)馬氏體（Stress-InducedMartensite,SIM）的不可逆轉(zhuǎn)變，即本征記憶失穩(wěn)。為了更直觀地描述高應(yīng)力環(huán)境對(duì)SMA本征記憶失穩(wěn)的影響，引入應(yīng)力誘導(dǎo)相變Fraction（Δ）來(lái)定量分析：Δ其中σ表示施加的應(yīng)力，σMS表示馬氏體相變開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力值。當(dāng)ΔSMA材料σMS失穩(wěn)應(yīng)力比ΔNiTi4000.85TiNi3000.70NiTiHf5000.90【表】預(yù)測(cè)高應(yīng)力下SMA材料的失穩(wěn)應(yīng)力比從表中可見(jiàn)，不同成分的SMA材料在高應(yīng)力下的失穩(wěn)行為存在差異。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，NiTiHf合金對(duì)高應(yīng)力的抵抗能力較強(qiáng)，而TiNi合金則相對(duì)脆弱。此外溫度也是影響本征記憶失穩(wěn)的重要因素，低溫環(huán)境下SMA更容易發(fā)生記憶失穩(wěn)。研究表明，當(dāng)溫度接近SMA的低溫相變溫度時(shí)，馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，應(yīng)力誘導(dǎo)相變Fraction（Δ）更容易達(dá)到臨界值。針對(duì)高應(yīng)力環(huán)境下合金本征記憶失穩(wěn)問(wèn)題，現(xiàn)有研究主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：一是通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)（如引入過(guò)渡金屬元素、增加Hf含量等）來(lái)提升材料的高應(yīng)力抗性；二是采用表面改性技術(shù)（如離子注入、涂層制備等）來(lái)緩沖外部應(yīng)力；三是發(fā)展智能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化應(yīng)力的分布來(lái)減少局部高應(yīng)力集中。盡管已有諸多探索，但如何在高應(yīng)力環(huán)境下維持SMA的本征記憶效應(yīng)仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。未來(lái)，控制應(yīng)力誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)和相變行為，實(shí)現(xiàn)SMA在高應(yīng)力制造過(guò)程中的穩(wěn)定性，將為其在AAM及其他復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)用提供關(guān)鍵支持。五、未來(lái)發(fā)展方向與展望形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（EAD）中的應(yīng)用具有巨大的潛力，未來(lái)發(fā)展方向主要包括材料性能提升、工藝優(yōu)化、智能化控制及多功能一體化。研究者需在多方面進(jìn)行深入探索，以進(jìn)一步發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。材料性能提升形狀記憶合金的性能直接影響其在增材制造過(guò)程中的表現(xiàn)，未來(lái)需從以下方面提升材料性能：新型形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)研究人員正致力于開(kāi)發(fā)具有更高相變溫度、更大形變恢復(fù)率和更好力學(xué)性能的新型SMA。例如，Ti-Ni基合金的改性及其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)?！颈怼苛谐隽藥追N新型形狀記憶合金的性能對(duì)比：材料相變溫度/℃最大恢復(fù)應(yīng)變/(%)楊氏模量/GPa參考文獻(xiàn)Ti-Ni70-1204-770-100[1]Ni-Mn-Ga200-4003-540-60[2]Ti-Ni-Pd80-1506-880-120[3]表面改性技術(shù)通過(guò)表面處理（如涂層、離子注入等）提高SMA的耐腐蝕性和抗氧化性，從而延長(zhǎng)其在EAD過(guò)程中的使用壽命。工藝優(yōu)化電弧增材制造過(guò)程中的工藝參數(shù)對(duì)SMA的性能影響顯著，未來(lái)需通過(guò)精細(xì)化控制提升制造質(zhì)量：參數(shù)優(yōu)化模型建立基于人工智能的工藝參數(shù)優(yōu)化模型，可實(shí)時(shí)調(diào)整電流、電壓和送絲速度等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的熔池穩(wěn)定性與成形精度。數(shù)學(xué)模型如下：P其中P表示熔池功率，I為電流，V為電壓，fs多層制造控制通過(guò)優(yōu)化層間溫度和冷卻速度，減少層間變形和殘余應(yīng)力，提高零件的整體性能。研究表明，層間溫度控制在相變溫度以下10-20℃可顯著提升成形質(zhì)量。智能化控制隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，SMA在EAD過(guò)程中的智能化控制將成為重要方向：自適應(yīng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于傳感器（如溫度傳感器、電流傳感器）的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制造過(guò)程并自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)，以應(yīng)對(duì)溫度波動(dòng)和電流變化等問(wèn)題。增材制造-熱處理一體化將形狀記憶合金的相變過(guò)程與EAD制造過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)在線熱處理技術(shù)（如激光重熔）促進(jìn)相變，提高材料性能。多功能一體化形狀記憶合金的多功能特性（如自修復(fù)、自驅(qū)動(dòng)等）為EAD技術(shù)帶來(lái)了新的應(yīng)用前景：自修復(fù)結(jié)構(gòu)將SMA嵌入到零件中，利用其應(yīng)力誘導(dǎo)相變特性實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自修復(fù)，延長(zhǎng)使用壽命。例如，在航空航天領(lǐng)域，可制造具有自修復(fù)能力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。智能驅(qū)動(dòng)部件開(kāi)發(fā)基于SMA的電弧增材制造驅(qū)動(dòng)部件，利用其形變恢復(fù)特性實(shí)現(xiàn)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用于微型機(jī)器人、可折疊機(jī)械等領(lǐng)域。應(yīng)用拓展未來(lái)，形狀記憶合金在電弧增材制造中的應(yīng)用將拓展至更多領(lǐng)域：航空航天：制造輕量化、高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，并具備自修復(fù)功能。生物醫(yī)療：開(kāi)發(fā)具有溫控功能的植入式器件，如形狀記憶合金骨釘和牙科矯治器。電子設(shè)備：制造微型可穿戴設(shè)備中的柔性驅(qū)動(dòng)部件。形狀記憶合金在電弧增材制造中的應(yīng)用前景廣闊，通過(guò)材料性能提升、工藝優(yōu)化、智能化控制和多功能一體化等手段，有望推動(dòng)增材制造技術(shù)的發(fā)展，并在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。5.1智能監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)在形狀記憶合金（SMA）電弧增材制造過(guò)程中，對(duì)工藝過(guò)程的精確控制和產(chǎn)品質(zhì)量的有效保證至關(guān)重要。鑒于SMA材料獨(dú)特的熱-力耦合響應(yīng)特性（如馬氏體相變、應(yīng)力誘發(fā)相變以及由此帶來(lái)的尺寸變化和力學(xué)性能波動(dòng)），發(fā)展智能化、實(shí)時(shí)的監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性的增材制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該類技術(shù)旨在貫穿制造全過(guò)程，實(shí)時(shí)感知、在線評(píng)估并反饋關(guān)鍵工藝參數(shù)與構(gòu)件狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制、優(yōu)化工藝窗口、避免缺陷生成及確保最終產(chǎn)品性能提供有力支撐。實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控：此階段主要關(guān)注制造過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)動(dòng)態(tài)，如電弧形態(tài)、熔池行為、送絲速度、焊接電流/電壓、保護(hù)氣流等。先進(jìn)傳感器技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)，光電傳感器、激光多普勒測(cè)速儀（LaserDopplerVelocimetry,LDV）、高溫輻射測(cè)溫儀等可分別用于監(jiān)測(cè)熔滴過(guò)渡、熔池速度和溫度場(chǎng)。通過(guò)高頻率數(shù)據(jù)采集，可以構(gòu)建工藝過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生模型。例如，通過(guò)分析電弧信號(hào)特征（如電壓信號(hào)譜內(nèi)容），結(jié)合熔池成像（如基于機(jī)器視覺(jué)的非接觸式測(cè)量），可以實(shí)時(shí)估計(jì)熔敷速率和熔池尺寸，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入能量，維持工藝穩(wěn)定。公式V(t)=f(I(t),ΔP(t),w(t))示意了焊接電壓V(t)作為主要電弧信號(hào)，通常與焊接電流I(t)、電弧變化ΔP(t)（如電壓波動(dòng)）以及電弧特性（如鎢極直徑w(t)）相關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)該公式等關(guān)系式的實(shí)時(shí)擬合與辨識(shí)，可快速推斷工藝狀態(tài)。在線質(zhì)量檢測(cè)：在線檢測(cè)側(cè)重于對(duì)正在制造的部件進(jìn)行缺陷識(shí)別與尺寸精度判斷。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合內(nèi)容像處理算法，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式、快速的表面缺陷（如未熔合、咬邊、氣孔、飛濺物堆積等）自動(dòng)檢測(cè)。此外超聲檢測(cè)（UT）和渦流檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)（NDT）技術(shù)，通過(guò)集成到增材制造系統(tǒng)中，有望實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部及近表面缺陷的原位或近線檢測(cè)。熱成像技術(shù)則可用于監(jiān)控焊后熱循環(huán)過(guò)程，評(píng)估溫度分布均勻性及冷卻速率，這對(duì)于控制SMA微觀組織和殘余應(yīng)力分布極為重要。【表】：典型在線檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)主要監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)缺陷類型優(yōu)勢(shì)機(jī)器視覺(jué)內(nèi)容像特征（紋理、邊緣）表面未熔合、咬邊、氣孔、飛濺非接觸、快速、全場(chǎng)覆蓋超聲檢測(cè)(UT)材料內(nèi)部聲速、反射/透射信號(hào)內(nèi)部氣孔、夾雜物、未熔合對(duì)內(nèi)部缺陷敏感、穿透性較好渦流檢測(cè)金屬表面電阻率變化表面裂紋、疏松、腐蝕非接觸、適合導(dǎo)電材料、對(duì)表面缺陷敏感熱成像等溫線分布、冷卻曲線溫度異常區(qū)域、熱應(yīng)力熱點(diǎn)實(shí)時(shí)可視化、過(guò)程監(jiān)控集成智能反饋與控制：智能監(jiān)控的核心在于其反饋能力。獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果需被上傳至中央處理單元（如工業(yè)計(jì)算機(jī)或邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)）。基于內(nèi)置的工藝模型（可以是機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型或混合模型）或預(yù)設(shè)的規(guī)則庫(kù)，系統(tǒng)能夠分析當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測(cè)潛在問(wèn)題，并自動(dòng)調(diào)整制造參數(shù)（如調(diào)整送絲速度、改變焊接位置、優(yōu)化脈沖參數(shù)等），形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種人機(jī)協(xié)同的智能決策機(jī)制，顯著提高了制造過(guò)程的自動(dòng)化水平和復(fù)雜工況下的適應(yīng)性。智能監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)是形狀記憶合金電弧增材制造走向成熟和廣泛應(yīng)用的技術(shù)基石。未來(lái)，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的進(jìn)一步融入，該領(lǐng)域?qū)⒊顚哟蔚念A(yù)測(cè)性維護(hù)、自適應(yīng)優(yōu)化控制以及基于性能的全生命周期質(zhì)量追溯方向發(fā)展，為制造高性能形狀記憶合金構(gòu)件提供更強(qiáng)大的技術(shù)保障。5.2精密控制與熱管理的優(yōu)化形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（AM）中的應(yīng)用具有巨大的潛力，但同時(shí)也面臨著復(fù)雜的熱應(yīng)力和需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制這兩大挑戰(zhàn)。對(duì)此，研究者展開(kāi)各行各業(yè)的探索工作，從而優(yōu)化SMA在AM過(guò)程中的精密控制和熱管理。首先對(duì)于精密控制，序列熱輸入的精確計(jì)算與控制尤為重要。這涉及到為了應(yīng)對(duì)熔化及相變過(guò)程，增材制造系統(tǒng)必須能夠精細(xì)地調(diào)節(jié)電弧功率、送絲速度以及熔池冷卻速率等參數(shù)。例如，運(yùn)用反饋控制機(jī)制，如熱像內(nèi)容監(jiān)測(cè)技術(shù)、高溫計(jì)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度，能使系統(tǒng)即時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，從而保證材料性能。其次熱管理是SMA電弧AM必須考慮的重要因素之一。形狀記憶合金在高溫環(huán)境下經(jīng)歷多重應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致劣化現(xiàn)象，如組織變化、致密度不一和殘余應(yīng)力增加。因此系統(tǒng)必須確保增材過(guò)程中的溫度得以控制和記錄，防止產(chǎn)生過(guò)熱或冷卻不充分。高效冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以減少熱應(yīng)力，同時(shí)可結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)算法，優(yōu)化溫度控制策略，避免損傷SMA性能。以下的表格摘要了優(yōu)化精密控制與熱管理時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵要素：考慮因素描述優(yōu)化方法實(shí)際應(yīng)用電弧功率增材制造的核心驅(qū)動(dòng)力精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化電弧生姜自適應(yīng)控制送絲速率直接影響材料堆積速度使用傳感技術(shù)和算法調(diào)整以反應(yīng)材料粒度智能送絲機(jī)制熔池冷卻影響熔合質(zhì)量和熱應(yīng)力分布應(yīng)用高速噴水/氮?dú)饧铀偃鄢乩鋮s金屬薄板激光增材制造溫度監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)反映制造區(qū)和材料狀態(tài)熱像內(nèi)容、紅外成像技術(shù)復(fù)雜形狀件內(nèi)溫檢測(cè)熱應(yīng)力管理預(yù)防性能降級(jí)和缺陷計(jì)算熱應(yīng)力和冷卻速率，實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)力的精確控制晶格緩沖層設(shè)計(jì)和評(píng)估例如，采用脈沖激光熔化SMA時(shí)，需要精確管理能量輸入以避免過(guò)量加熱，這可通過(guò)改變脈沖寬度、頻率、能量分布或使用動(dòng)態(tài)熱模型及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)口小而能量集中的激光束加熱速度極快，因而能提高熔池的溫度梯度并有效控制冷卻速率，從而減小熱應(yīng)力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在形狀記憶合金電弧AM中實(shí)現(xiàn)精密控制和有效熱管理正逐步成為可能。未來(lái)，結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)與智能算法，SMA的制造精確度將大大提升，并且可通過(guò)對(duì)熱應(yīng)力的精確控制以減少缺陷。其應(yīng)用前景也將隨之更加廣闊，特別是在航空航天、醫(yī)療植入和強(qiáng)結(jié)構(gòu)件制造等領(lǐng)域。5.3多副本生產(chǎn)技術(shù)的集成形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（EAM）中的應(yīng)用中，多副本生產(chǎn)技術(shù)的集成是實(shí)現(xiàn)高效、批量制造的重要途徑。多副本生產(chǎn)技術(shù)通過(guò)并行處理和協(xié)同制造，顯著提升了生產(chǎn)效率和制造精度。該技術(shù)的核心在于利用SMA材料的獨(dú)特行為，結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的同時(shí)或連續(xù)制造。（1）技術(shù)原理多副本生產(chǎn)技術(shù)的基本原理是通過(guò)重復(fù)編程和釋放過(guò)程，使SMA在工作區(qū)域內(nèi)完成多個(gè)相同或相似零件的制造。具體而言，該技術(shù)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：編程控制：通過(guò)外部激勵(lì)（如電流、熱能）使SMA材體制成預(yù)設(shè)形狀。增材制造：利用電弧增材制造技術(shù)，結(jié)合編程后的SMA材料，逐層構(gòu)建零件。釋放與分離：制造完成后，通過(guò)控制編程參數(shù)，使零件從基板上分離。通過(guò)上述步驟，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的并行制造。例如，通過(guò)對(duì)SMA絲材進(jìn)行精確的控制，使其在多個(gè)工作點(diǎn)同時(shí)受熱并編程，從而在同一工作循環(huán)內(nèi)完成多個(gè)零件的制造。（2）技術(shù)優(yōu)勢(shì)多副本生產(chǎn)技術(shù)在電弧增材制造中具有顯著的優(yōu)勢(shì)：提高生產(chǎn)效率：通過(guò)并行制造，大幅縮短了單個(gè)零件的制造時(shí)間。降低成本：減少了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和人力資源投入。提高制造精度：通過(guò)精確的編程控制，保證了每個(gè)零件的制造質(zhì)量?！颈怼靠偨Y(jié)了多副本生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景：優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景提高生產(chǎn)效率大批量零件制造降低成本中小型零件生產(chǎn)提高制造精度高精度零件制造（3）技術(shù)挑戰(zhàn)盡管多副本生產(chǎn)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，但也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)：編程控制的復(fù)雜性：需要精確控制多個(gè)SMA絲材的編程過(guò)程，以避免相互干擾。熱管理：多個(gè)零件同時(shí)制造會(huì)導(dǎo)致工作區(qū)域溫度升高，需要有效的熱管理系統(tǒng)。為了解決這些挑戰(zhàn)，研究者們提出了幾種改進(jìn)方案。例如，通過(guò)引入多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)編程點(diǎn)的精確協(xié)同；同時(shí)，采用局部冷卻系統(tǒng)可以有效地控制工作區(qū)域的溫度分布。（4）未來(lái)發(fā)展方向未來(lái)，多副本生產(chǎn)技術(shù)在形狀記憶合金電弧增材制造中的應(yīng)用將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：智能化控制：利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)編程過(guò)程的智能化控制。新材料開(kāi)發(fā)：開(kāi)發(fā)具有更好編程性能和力學(xué)性能的新型SMA材料。系統(tǒng)集成：將多副本生產(chǎn)技術(shù)與其他制造技術(shù)（如3D打印、機(jī)器人技術(shù)）進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)更高效的智能制造。通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展，多副本生產(chǎn)技術(shù)將在形狀記憶合金電弧增材制造中發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)制造業(yè)向智能化、高效化方向發(fā)展。六、結(jié)論形狀記憶合金（SMA）在電弧增材制造（EAM）領(lǐng)域的應(yīng)用探索與初步實(shí)踐，已展現(xiàn)出其巨大的技術(shù)潛力與廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)SMA本身特性、EAM工藝流程的深入理解與協(xié)同優(yōu)化，研究人員在提升增材制造成品性能、拓展材料應(yīng)用范圍及實(shí)現(xiàn)智能化制造等方面取得了顯著進(jìn)展。研究表明，利用SMA優(yōu)異的相變強(qiáng)化、超彈性能、應(yīng)力調(diào)節(jié)及自修復(fù)能力，有望在EAM制造過(guò)程中有效改善材料致密度、抑制殘余應(yīng)力積累、提升構(gòu)件疲勞壽命，并賦予產(chǎn)品獨(dú)特的功能特性。然而SMA在EAM中的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，主要集中在siêukhókh?n(siêukhókh?n:這里使用了“非常困難”的越南語(yǔ)，為同義詞替換示例，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)替換為合適的詞匯，如：“面臨諸多嚴(yán)峻的技術(shù)瓶頸和應(yīng)用障礙”）于SMA的高效、高質(zhì)量熔敷控制，材料加工過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律復(fù)雜，力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型尚不完善，以及成本效益比有待提升等方面。未來(lái)的研究應(yīng)聚焦于：開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)化的SMAEAM工藝參數(shù)匹配策略與智能控制算法；建立考慮熱-力-相變耦合作用的SMAEAM成形機(jī)理與性能預(yù)測(cè)模型；探索新型SMA材料在EAM中的應(yīng)用潛力；以及優(yōu)化回火工藝，以充分發(fā)揮SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈特性。展望未來(lái)，隨著材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)與智能控制的深度融合，SMA在EAM領(lǐng)域的應(yīng)用有望突破當(dāng)前限制?？梢灶A(yù)見(jiàn)，集成SMA傳感或驅(qū)動(dòng)功能的智能結(jié)構(gòu)制造將成為可能，為航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)具有自感知、自診斷、甚至自修復(fù)等功能的復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)件提供新的解決方案，從而極大地推動(dòng)增材制造技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用拓展，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值。綜上所述形狀記憶合金與電弧增材制造的交叉融合，是推動(dòng)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的重要方向，具有深遠(yuǎn)的技術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用空間。?示例表格：SMA在EAM中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)方面應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要挑戰(zhàn)力學(xué)性能提升應(yīng)力調(diào)節(jié)，減少殘余應(yīng)力；相變強(qiáng)化，提高強(qiáng)度與硬度；超彈作用，吸收能量性能預(yù)測(cè)復(fù)雜；微觀結(jié)構(gòu)控制難；循環(huán)特異性問(wèn)題功能一體化制備嵌入式驅(qū)動(dòng)/傳感單元；實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自診斷/自修復(fù)功能元件集成工藝復(fù)雜；功能-結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)難度大工藝優(yōu)化應(yīng)力輔助凝固，減少裂紋；精密成形控制熔池行為復(fù)雜，難精確控制；SMA熱點(diǎn)效率問(wèn)題成本與應(yīng)用拓展材料選擇空間；制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)SMA原材料成本高；工藝穩(wěn)定性需驗(yàn)證；批量化生產(chǎn)成本控制示例公式：假設(shè)SMA在EAM過(guò)程中的殘余應(yīng)力(σ_res)受材料本構(gòu)關(guān)系(C)、熱循環(huán)歷史(T_hist)和加工路徑(P)的影響，可簡(jiǎn)化表達(dá)為：σ_res=f(C,T_hist,P)其中f表示復(fù)雜的耦合關(guān)系。精確的應(yīng)力預(yù)測(cè)模型需要考慮更多的變量和非線性因素。6.1總結(jié)電弧增材制造技術(shù)的當(dāng)前進(jìn)展電弧增材制造技術(shù)自誕生以來(lái)，逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，已成為承載國(guó)家戰(zhàn)略需要和制造業(yè)升級(jí)的重要推進(jìn)力量。當(dāng)前電弧增材制造技術(shù)主要展現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:材料范疇的銳化:隨著高功率直流電源、高溫噴嘴、高品質(zhì)送絲技術(shù)的發(fā)展,及相關(guān)工藝參數(shù)的完善,電弧增材制造技術(shù)已延伸到鈦合金、鎳基合金及難熔金屬等不適合傳統(tǒng)焊接材料領(lǐng)域。這些新材料的高強(qiáng)度、耐蠕變性以及特殊的合金性能為制造業(yè)需求提供了有力支持。光電子結(jié)構(gòu)升級(jí):豎直上下雙軸上料器及其他自動(dòng)導(dǎo)向器的應(yīng)用,使得電弧能夠連續(xù)穩(wěn)定地在全空間范圍內(nèi)掃描焊接,不再僅限于平面制造。同一設(shè)備可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)單一材料類型轉(zhuǎn)換或混合金屬的精確疊加。該技術(shù)進(jìn)步極大拓寬了增材制造技術(shù)的材料適用性和應(yīng)用范圍。熱學(xué)控制精細(xì)化:熱輸入控制和熱流密度分布的優(yōu)化對(duì)控制增材制造過(guò)程中工件的極大熱應(yīng)力變形和組織轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。新的冷卻方法和噴嘴系統(tǒng),結(jié)合現(xiàn)代仿真與計(jì)算力學(xué)理論(如有限元分析),使得溫度梯度和應(yīng)力的預(yù)控在一件工件