深圳大学团队的研究，是一项极具前瞻性的工作。它巧妙地利用了钛氮化物（TiN）纳米颗粒在激光粉末床熔融（LPBF）过程中的双重作用——既是异质形核剂以细化晶粒、调控微观结构，又是力学增强相以提升强度，从而协同解决了金属4D打印（特别是形状记忆合金）中力学与功能各向异性这一核心难题。这项研究并非孤立，它正位于当前增材制造材料科学多个前沿趋势的交汇点。结合您提供的搜索结果，我们可以从以下几个维度深入解读这项工作的背景、机理与深远意义。
在添加TiN纳米颗粒后，激光粉末床熔化（LPBF）制造的高熵合金（HESMA）中的柱状晶粒转变为等轴晶粒，从而降低了微观结构的各向异性
TiN纳米颗粒：增材制造中日益重要的多功能改性剂
TiN被用作LPBF过程中的“添加剂”，其核心功能是诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）。这并非偶然，而是基于TiN材料本身独特的物理化学性质，这些性质使其在聚合物和金属增材制造领域都成为研究热点。
卓越的力学增强能力：多项独立研究证实，TiN纳米颗粒是多种热塑性聚合物的高效增强体。在材料挤出式（MEX，即FFF）3D打印中，将TiN加入聚乳酸（PLA）可使拉伸强度和弯曲强度分别提升43.4%和51.5%。同样，在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）中，6 wt.%的TiN能将弯曲弹性模量和韧性分别提高42.3%和54.0%。在医用聚丙烯（PP）中，2.0 wt.%的TiN能带来41.5%的拉伸强度提升和44.8%的显微硬度提升。这些增强效应源于TiN本身作为超硬陶瓷的特性。深圳大学的研究将这一增强逻辑从聚合物领域延伸至金属合金，TiN的加入使FeMnCoCrSi高熵形状记忆合金（HESMA）的屈服强度从基体的582.5/417.4 MPa（水平/垂直）大幅提升至802.4/665.9 MPa，显著强化了打印件。
诱导异质形核与晶粒细化：这是实现CET、消除各向异性的物理基础。在金属LPBF过程中，熔池快速冷却和陡峭的温度梯度导致晶粒沿构建方向外延生长，形成粗大的柱状晶，这是力学和功能各向异性的根源。引入有效的形核剂是解决此问题的关键策略之一。TiN纳米颗粒在合金熔体中可以作为非均质形核的核心，增加形核率，从而抑制柱状晶生长，促进形成细小等轴的晶粒结构。深圳大学的研究观察到平均晶粒尺寸从15.8 μm细化至1.68 μm，并伴随强织构的弱化，这正是TiN发挥形核剂作用的直接证据。这与在镍基高温合金Inconel 718（GH4169）中通过均质化-固溶-双时效（HG-S2A）热处理，或在Ti-6Al-4V和Inconel 625中通过高强度超声波引入形核质点以消除各向异性的研究，在目标上高度一致，但手段上更具“原位”和“材料设计”的特色。
潜在的光热响应特性（为4D打印拓展可能性）：除了力学和结构调控，TiN还因其等离子体共振特性而成为光响应材料的候选。研究表明，TiN纳米结构在可见光到近红外光谱范围内具有可调的局域等离子体共振效应。这启发了研究人员开发光热响应型智能材料。例如，有研究将TiN纳米颗粒掺入三元聚合物共混物中，成功制备了具有近红外光响应的三重形状记忆纳米复合材料，并用于4D打印。这提示我们，未来在类似深圳大学研究的HESMA-TiN体系中，TiN可能不仅作为形核剂和增强相，还有望赋予合金光热驱动的形状记忆效应，实现更复杂、非接触式的4D驱动模式，将“降解触发”[此前讨论]与“光热触发”等机制融合。
添加氮化钛（TiN）可降低激光粉末床熔融（LPBF）打印的高熵合金（HESMA）样品的屈服强度各向异性
添加TiN并进行热处理后，最大恢复应变各向异性显著降低
研究工作的核心突破：协同解决强度-功能各向异性权衡
深圳大学团队工作的精妙之处在于，他们通过“TiN添加+后处理热处理”的组合拳，系统性地破解了金属4D打印中的一个经典矛盾。
第一重矛盾：强度提升与功能抑制。如前所述，TiN的添加通过晶粒细化（霍尔-佩奇效应）和自身强化显著提高了合金的屈服强度。然而，过于细小的晶粒和大量的晶界会阻碍应力诱导马氏体相变，因为晶界对马氏体变体的生长和传播有钉扎作用。这导致研究中所观察到的：TiN改性后，虽然各向异性降低，但最大回复应变从6.3%下降至4.7%。这是追求高强度通常需要付出的功能代价。
第二重矛盾：微观结构各向同性与相变各向同性。TiN诱导的CET成功实现了微观结构的各向同性，表现为力学性能（如屈服强度）的各向异性比率从39.6%大幅降低至20.5%。但4D打印的“功能”——形状记忆效应——不仅取决于晶粒形状和取向，还深刻依赖于晶体学织构、内应力状态和相变热力学。单纯的晶粒细化未能完全消除功能各向异性（回复应变差异从56.3%降至14.9%，但仍存在）。
创新性解决方案：短时热处理。研究团队采用的800°C、15分钟的热处理是关键一步。它并非传统的、旨在进一步改变晶粒结构的长时间退火，而是一种精准的“功能恢复”处理。其作用可能包括：释放LPBF过程产生的残余应力（残余应力会干扰马氏体相变）；调整纳米孪晶和层错密度；改变析出相成分并重新分配合金元素，从而降低基体的层错能。层错能的降低使得马氏体（特别是ε马氏体，常见于Fe-Mn基合金）的形核更容易，从而在保持细晶强化带来的高强度和低力学各向异性的同时，几乎完全恢复了形状记忆性能并使其各向同性化（回复应变差异降至3.4%）。
三、 对4D打印与增材制造发展的深远启示
这项研究超越了单个材料体系的优化，为整个领域提供了方法论上的启示：
从“材料发现”到“微观结构工程”的范式转变：早期的4D打印研究多集中于发现新的刺激响应材料[如光热响应聚合物]。而当前的研究前沿，尤其是涉及结构金属的4D打印，正越来越侧重于通过工艺和微观结构设计来编程材料的性能。深圳大学的工作表明，通过纳米颗粒添加（工艺参数）和热处理（后处理）对微观结构进行“编码”，可以精确地“解码”出所需的、均衡的力学与功能性能。
为“可靠的结构化4D打印部件”铺平道路：4D打印若要走出实验室，应用于航空航天、生物医疗等关键领域，其部件必须兼具可预测的、稳定的驱动功能和可靠的、各向同性的结构承载能力。强烈的各向异性是工程应用中的致命弱点。该研究直接针对这一应用瓶颈，证明通过微观结构控制，可以制备出高强度、低各向异性、且具有优异且均匀形状记忆性能的金属部件，极大地提升了4D打印金属作为功能-结构一体化部件的可行性。
彰显了多材料、多工艺复合设计的威力：这项研究本质上是材料设计（HESMA+TiN纳米复合材料）、增材工艺（LPBF）和后处理工艺（热处理） 三者协同设计的典范。它启示我们，未来4D打印的发展，尤其是高性能金属4D打印，将更加依赖于这种跨尺度的、全流程的集成设计与控制。
总结而言，深圳大学联合团队的研究，通过将TiN纳米颗粒这一在增材制造领域已被证明具有强大力学增强和潜在光热功能的材料，创新性地应用于高熵形状记忆合金的LPBF打印中，成功扮演了晶粒细化剂和强化相的双重角色，并结合精准热处理，巧妙地平衡并优化了强度、各向同性和形状记忆功能这三者之间的关系。这项工作不仅是高熵形状记忆合金和4D打印领域的重要进展，更是整个材料-工艺-性能一体化智能设计理念的生动实践，为未来制造性能可编程、功能可定制、结构可靠的高端智能部件指明了方向。
中国3D打印网编译文章！
0 留言