深圳大学与合作伙伴的研究人员展示了一种通过激光粉末床融合（LPBF）过程中添加氮化钛（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。

这项发表于《增材制造快报》的研究表明，纳米颗粒驱动的晶粒细化降低了机械和形状记忆各向异性，而打印后的短暂热处理可恢复形状恢复性能。

研究团队探究了通过LPBF制备的Fe50Mn20Co10Cr10Si10（原子百分比）合金，并比较了添加与未添加1.0 wt.% TiN纳米颗粒的样品。

LPBF工艺通常会产生沿构建方向排列的粗大柱状晶。然而，TiN的添加引发了柱状晶向等轴晶的转变，从而形成了更均匀的微观结构。

金属增材制造常因剧烈的温度梯度和定向凝固而产生各向异性，导致性能与方向相关。

在形状记忆合金中，这种各向异性会改变马氏体相变行为，造成不同方向间恢复应变和屈服强度的差异。

在未添加TiN的原始HESMA基体中，不同构建方向的屈服强度差异显著：水平方向样品达到582.5 MPa，而垂直方向样品为417.4 MPa。

形状记忆性能也有所不同，垂直方向的最大恢复应变为6.3%，而水平方向为4.0%。

添加TiN纳米颗粒后，屈服强度提高至802.4 MPa（水平）和665.9 MPa（垂直），屈服强度的各向异性比率从39.6%降至20.5%。

形状记忆各向异性下降更为明显，最大恢复应变差异从56.3%降至14.9%。

电子背散射衍射分析显示，TiN纳米颗粒在凝固过程中促进了异质形核。

这导致了显著的晶粒细化，平均晶粒尺寸从基础合金的约15.8 μm减小至TiN改性后的1.68 μm。

LPBF加工金属中典型的强<100>织构被削弱，晶粒取向分布变得更加均匀。

尽管晶粒细化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的马氏体相变，使垂直方向的最大恢复应变降至4.7%。

为恢复功能性能，研究人员采用了800°C下15分钟的短暂热处理。

该处理释放了残余应力，减少了纳米孪晶和堆垛层错，并改变了析出相组成。

元素的重新分布降低了基体的堆垛层错能，使得马氏体相变更易发生。

热处理后，最大恢复应变提升至5.7%（水平）和5.9%（垂直）。

形状记忆各向异性进一步降至3.4%，表明在保持较高强度的同时，功能性能接近各向同性。

该研究提出了一种综合方案，以应对金属4D打印中一个长期存在的难题：高强度与功能各向异性之间的权衡。

纳米颗粒辅助的晶粒细化降低了方向依赖性，而针对性热处理则恢复了形状记忆性能。

通过将TiN孕育处理与后处理相结合，研究人员为生产更强、更各向同性的铁基形状记忆合金功能性4D打印部件指明了一条路径。

近期的4D打印研究正在拓展至具有可编程行为的响应材料。

宾夕法尼亚州立大学的水凝胶智能皮肤展示了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作为功能性4D部件的基础。

然而，迈向结构应用不仅需要致动能力，还需具备可预测的机械性能。

在LPBF制备的金属系统中，定向微观结构可能引入载荷下的性能波动，这对于要求行为一致的部件应用带来了复杂性。

深圳大学的研究通过证明各向异性可在不牺牲强度的情况下得到缓解，直接应对了这一实际应用限制。

结果表明，微观结构控制（而非单纯的材料发现）可能决定金属4D打印从实验室演示走向可靠结构应用的速度。