增材制造作为一种革命性的技术，能够以前所未有的自由度制造复杂部件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型提供了巨大契机。受其兼具灵活性与可控性特点的启发，增材制造技术也备受形状记忆合金领域青睐。然而，制备具有理想的微观结构及性能、并兼具功能性的形状记忆合金是一项艰巨的挑战。如今，随着3D打印技术的升级，形状记忆合金类型的拓展以及热处理工艺的应用，实现了多种类型、多种性能的增材制造形状记忆合金有效的制备与调控。

本篇论文从组织特征、性能和前景的角度综述了增材制造形状记忆合金的研究进展。首先，介绍了形状记忆合金增材制造的技术特点，总结了增材制造形状记忆合金的微观结构特征。然后，揭示了相变行为、力学性能和功能特性的影响因素与调整策略。最终，提出了未来该领域的研究方向与发展前景。

1. 形状记忆合金类型与增材制造技术

增材制造是一种以预先设计的三维模型为基础，逐层构造实现冶金结合的新技术，表现出设计形状多样、节省原材料、成型速度快及加工成本低等传统制造方法无法企及的优势。因此，这种智能方法在满足高效率个性化定制需求方面具有巨大潜力。由于展现出的独特能力，该技术在形状记忆合金领域备受青睐。迄今为止，已被成功制备的增材制造形状记忆合金包括镍钛基、铜基、铁基形状记忆合金等，如图1所示。

图1 增材制造形状记忆合金类型

代表性的形状记忆合金增材制造技术包括选择性激光熔化(SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光定向能量沉积(LDED)与电弧增材制造(WAAM)，具体的特点列在图2中。

图2代表性增材制造方法，(a)按原理和不同热源进行分类，(b)增材制造技术特点

2. 增材制造形状记忆合金的组织特征

增材制造的形状记忆合金存在未熔合、锁孔、球化以及裂纹等缺陷，选择合适的参数可以获得更高的致密度。在一定范围内，增加激光功率或降低扫描速率能够实现更高的相对密度，如图3所示。此外，能量密度的合理调控能够改变熔化与凝固行为、轨迹特征与层间连续性，从而成功生产出接近完全致密的零件。

图3 不同激光功率和扫描速率打印的Ni_50.2Ti_49.8合金，(a)SEM图像，(b)相对密度变化

利用增材制造技术制备的形状记忆合金会经历动态的循环加热与冷却过程，这对熔池与晶粒产生了复杂的影响。沿构建方向的形状记忆合金中能够广泛观察到外延凝固现象，它的具体表现为柱状晶粒与[001]织构的形成。在一定的凝固条件下，等轴晶粒在柱状晶粒生长的终止处出现。此外，晶粒特征与能量密度密切相关。如图4所示，随着能量密度增加，Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni合金从柱状晶(平均晶粒尺寸约为60µm)变为等轴晶(直径小于10µm)，且晶粒取向具有明显变化。

图4 增材制造Fe-Mn-Si-Ni-(V，C)合金的EBSD分析，(a)和(c)低能量密度，(b)和(d)高能量密度

3. 增材制造形状记忆合金的相变行为

图5总结了增材制造形状记忆合金的转变温度。对于同一类型合金，转变温度仍存在明显的差异，这归因于打印过程中元素的蒸发与烧损造的成分不均匀性以及微观结构（晶粒尺寸、沉淀相等）的强烈变化。因此，改变扫描参数能够实现相变温度的有效调控。

图5 增材制造形状记忆合金的转变温度

4. 增材制造形状记忆合金的性能

图6总结了室温下增材制造形状记忆合金的抗拉强度、抗压强度与伸长率的关系。可以观察到对于相同成分的合金，性能在一定范围内变化，这取决于微观结构与相变行为。因此，通过不同的扫描参数或热处理方法能够改变合金的晶粒、沉淀与位错等微观结构，从而影响相变行为，提高拉伸与压缩性能。

图6 增材制造形状记忆合金的机械性能，(a)抗拉强度与拉伸应变，(b)抗压强度与压缩应变

通过表1可知，增材制造形状记忆合金具有良好的超弹性与形状记忆效应。记忆特性取决于组织特征，因此可以通过改变扫描参数与热处理工艺进行调控。下面总结了提升超弹性与形状记忆特性的有效方法：（1）从元素含量角度考虑，打印过程中元素的蒸发或沉淀的形成影响相变，因此调整元素含量有效提升恢复能力。（2）从晶粒角度考虑，可以改变扫描策略或取样方式增强性能。（3）从沉淀、位错、孪晶与层错考虑，利用热处理消除残余热应力并且诱发有利结构的形成，进而获得优异性能。

表1 增材制造形状记忆合金形状记忆效应与超弹性

应力诱发马氏体相变能够引起形状记忆合金的弹热效应。这种极其重要的自冷却行为对固体冷却技术的发展起到决定性的作用。Hou等人利用激光定向能量沉积技术制备NiTi形状记忆合金时加入非转变金属间相Ni₃Ti，探究了沉淀对弹热效应的贡献。通过对图7中的应力应变曲线分析可知，合金表现出准线性行为和显著降低的滞后，并且在超过100万次循环中都具有稳定的机械性能和弹热响应。因此，通过增材制造技术能够制造出高效、低滞后弹性热冷却材料。

图7 弹性效应的稳定性，(a)压缩应力-应变曲线，(b)不同应变下的弹性冷却

5. 前景

增材制造技术，能够精确构筑具备复杂几何构型的形状记忆合金，如图8所展示的精细多孔结构。此类结构具有独特性质，在航空航天、生物医学、电子机械等尖端领域展现出巨大的应用潜力与价值。此外，本篇综述论文揭示了材料性能优化的无限可能，但要全面解锁形状记忆合金在跨学科领域的广泛应用潜能，亟需在材料、技术、性能、方法这四个关键维度实现突破性进展。

图8 增材制造形状记忆合金的多孔结构

傅宇东，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院教授，博士生导师。黑龙江省热处理学会副理事长、中国热处理学会冷却技术委员会委员、中国热处理行业协会教育培训委员会委员。主要研究方向包括金属材料强韧化及组织调控、材料表界面理论与工程、材料多尺度设计与数值模拟、船舶动力系统摩擦学等。近年来，在Acta Materialia等发表科研论文120余篇，获得授权发明专利11项，获得省部级科技一等奖2项，三等奖3项。承担包括国家重大专项、国家自然科学基金、省自然科学基金、省科技攻关重点等科研项目20余项。主持完成省部级教改项目5项，获得省级教学成果奖一等奖1项、二等奖1项。

高卫红，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院副教授，研究方向为金属功能材料（形状记忆合金，热电材料）的微观组织结构与性能。目前为止，共发表SCI论文50余篇，H因子35。其中以第一作者在金属顶级期刊Acta Materialia、Joule和Nature Communications等发表SCI论文20余篇。主持国家自然科学基金青年项目，面上项目，黑龙江省自然科学基金，哈尔滨工程大学中央高校基金等。作为骨干成员参与过国家自然科学基金面上项目，国家自然科学基金优秀青年项目，日本文部科学省未来大型项目等。

孙斌，哈尔滨工程大学讲师，工学博士，近年来主要从事金属材料组织调控与强韧化、相变晶体学和显微组织的研究。在Scripta Materialia、Materials Science and Engineering: A等顶级期刊发表高水平论文20余篇。主持中央高校基金，参与国家自然科学基金面上项目。

杨雨茜，博士研究生。研究方向为形状记忆合金的微观组织结构与性能，以第一作者在Transactions of Nonferrous Metals Society of China、Materials Science and Engineering: A等期刊发表SCI论文3篇。