形状记忆合金电弧增材制造研究进展与展望

Recent advances and prospects in wire arc additive manufacturing of shape memory alloys

摘要

形状记忆合金（SMAs）因具有独特的超弹性和形状记忆效应，作为智能材料已广泛地应用于航空航天、海洋工程、生物医学、汽车等领域。随着国家重大科技项目与工程化的不断推进，传统成形技术已无法满足对形状记忆合金结构件在轻量化、智能化、功能化及兼具优异综合性能方面的严苛要求。电弧增材制造（WAAM）技术，因生产周期短、材料利用率高、成形性能好等优点，在大中型复杂金属结构件的高效低成本制造上具有明显优势，可避免传统制造技术存在的成形质量差、强韧性低、成形空间受限等问题，极大地满足了形状记忆合金构件的制造需求。然而，WAAM由于其复杂的热循环效应，组织存在晶粒粗大、气孔、不均匀变形和裂纹等缺陷，严重影响结构件的性能。本文从形状记忆合金的基础特性、WAAM原理与分类、WAAM成形组织调控、析出相、相变与滞后特性、缺陷抑制、超弹性与形状记忆效应、性能提升等方面对近年来国内外WAAM形状记忆合金的研究进展进行了综述，最后从材料-工艺-组织-性能协同调控方面进行了展望，指出智能化、复合化及跨尺度精准调控技术的深度融合将是未来发展方向。

Abstract

Shape memory alloys （SMAs）， owing to their unique superelasticity and shape memory effect， have been widely utilized as intelligent materials in aerospace， marine engineering， biomedicine， automotive industries， and other fields. With the continuous advancement of national major scientific projects and engineering initiatives， traditional forming technologies have become inadequate to meet the stringent requirements for SMAs structural components in terms of lightweight design， intelligent functionality， multifunctional integration， and superior comprehensive performance. Wire arc additive manufacturing （WAAM） technology demonstrates distinct advantages in the efficient and cost-effective fabrication of medium to large-scale complex metal structures， attributed to its short production cycles， high material utilization rates， and excellent forming performance. This technology effectively addresses issues inherent in conventional forming methods， such as poor forming quality， low strength and toughness， and spatial constraints in forming， thereby greatly meeting the manufacturing requirements for SMAs. However， due to the complex thermal cycling effects in WAAM， the microstructure exhibits defects such as coarse grains， pores， inhomogeneous deformation， and cracks， severely affecting the performance of structural components. This paper comprehensively reviews recent domestic and international research progress on WAAM-processed SMAs， encompassing fundamental characteristics of SMAs， principles and classifications of WAAM， microstructure control， precipitation phases， phase transformation and hysteresis characteristics， defect suppression， superelasticity and shape memory effects， and performance enhancement. Finally， an outlook is provided from the perspective of synergistic control of material-process-microstructure-property， indicating that the deep integration of intelligent， composite， and cross-scale precision control technologies will be the future direction.

Graphical abstract

关键词

形状记忆合金 / 超弹性 / 电弧增材制造 / 组织调控 / 缺陷抑制

Key words

shape memory alloys / superelasticity / wire arc additive manufacturing / microstructure control / defect suppression

随着载人航天、月球探测、北斗导航等国家重大科技专项的持续推进，飞行器的减重和飞行速率要求不断攀升，对构件的智能化结构、功能特性及综合性能提出了越来越高的技术要求。一方面要求构件具有较大的尺寸和复杂的形状特征；另一方面又要求其生产效率高、成本低、成形精度和性能好、兼具优异的综合力学性能。然而，特殊应用场合下，力学性能不足、不具备超弹性、异质金属冶金结合差以及非弹性屈曲引起的不可恢复变形是金属结构面临的一大挑战^［1-2］。

形状记忆合金（shape memory alloys，SMAs）作为智能材料，当在高于奥氏体结束温度施加超过其弹性极限的应力后会诱发马氏体相变，并发生显著变形，卸载应力后自动恢复到原始形状，即超弹性^［3］；当在低温马氏体状态下发生塑性变形后，加热到奥氏体开始温度便会发生逆相变，完全恢复其原有形状，即形状记忆效应^［4］。这种独特能力使形状记忆合金具有能量耗散特性，在设计和制造各种具有可恢复性的能量吸收系统、可控结构以及振动阻尼方面提供了可能性^［5-10］，使其在航空航天、生物医学、汽车和相关领域有着广泛的应用前景^［11-12］。然而传统的减材制造方法效率低、损耗大、工艺繁琐、成型质量差，只适合加工结构简单的形状记忆合金结构件，限制了形状记忆合金的进一步发展和应用。

电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技术，是以焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定路径在基板上逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件的一种成形技术。因其生产周期短、材料利用率高、无焊接飞溅、成形性能好等^［13-15］一系列优点，在大中型复杂金属结构件的高效、低成本制造上具有明显优势，极大地满足了形状记忆合金在航空航天、生物医学、汽车等领域的严苛需求。然而，目前对于形状记忆合金的增材制造，特别是WAAM方面的研究还处于起步阶段^［16］，由于其复杂的热循环效应，沉积合金组织仍然存在晶粒粗大、气孔、裂纹、不均匀变形等问题，影响合金的性能^［17-18］。针对这些问题，学者们提出了冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）、原位合金化、多丝电弧增材制造、多场辅助及后续热处理等方法^［19-23］，以优化WAAM结构件的组织与性能，并且取得了一定的成效，未来有望在卫星可展开天线、火星着陆器以及船舶促动器等大型复杂成形制造上取得技术突破。本文从形状记忆合金的基础特性、WAAM组织调控与相组成、相变与滞后特性、缺陷抑制、超弹性与形状记忆效应、力学性能等方面对近年来国内外形状记忆合金WAAM的研究进展进行了综述，并对未来发展趋势进行了展望，以期为今后形状记忆合金WAAM的深入研究提供参考方向。

1 形状记忆合金的基础特性

1.1 材料特性

形状记忆合金（SMAs）是一种集感知与驱动功能于一体的智能型功能材料^［24-26］，奥氏体（母相，通常为立方结构，如B2或L21）↔马氏体（低温相，如单斜、三斜或正交结构）相变过程是通过原子协同和沿特定晶面的切变来实现的，且不发生成分变化。变形后通过加热可恢复至变形前的形状，呈现形状记忆效应；加载过程中会发生应力诱导马氏体相变，卸载后自动恢复其原有形状，表现出超弹性。通过热/力驱动的可逆相变来实现大变形恢复与高功密度输出（小体积+大力/大位移输出），而相界和孪晶界的迁移是形状恢复的基础。由于其独特的智能响应能力和多功能集成能力，形状记忆合金将成为智能材料领域的核心，应用前景广阔。

1.2 形状记忆合金的分类

形状记忆合金按照记忆效应类型可分为单程形状记忆合金、双程形状记忆合金和全程形状记忆合金；按性能可分为磁性形状记忆合金（如Ni-Mn基系）、普通形状记忆合金（如Ni-Ti-Cu、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si等）、高温形状记忆合金（如Ni-Ti-Pd/Pt、Ni-Ti-Hf等，工作温度100 ℃以上）和复合形状记忆合金（如Al/TiNi、聚合物TiNi等）；按合金成分可分为Ni-Ti基^［27］、Ni-Mn基、Cu基^［28-29］、Fe基^{［27，30］}、Co基^［30］、Ti基^［31］、Zr基^［32］和Mg基^［33］等多种形状记忆合金体系，具体分类如图1所示。

1.2.1 NiTi基形状记忆合金

NiTi合金因具有优异的超弹性、形状记忆效应和生物相容性，在变形机翼、卫星天线、血管支架、温度传感器、紧固连接件等领域有广泛应用，成为最具发展潜力的形状记忆合金^［34-36］。NiTi合金的形状记忆效应和超弹性是由B2（体心立方）奥氏体与B19（正交晶系）马氏体之间的可逆相变形成的。NiTi相为NiTi合金的主要组成相，对于富钛NiTi合金，其溶解度不随温度变化，会析出Ti₂Ni脆性第二相，通常对基体性能有害；对于富镍NiTi合金，随着温度降低，其溶解度会迅速下降，析出亚稳相Ni₃Ti₂和Ni₄Ti₃，最终稳定为Ni₃Ti。Ni₃Ti₂和Ni₄Ti₃相对于NiTi合金的相变温度、形状记忆效应、超弹性以及耐腐蚀性等具有直接影响。然而，这种材料只适用于低相变温度条件（<100 ℃），极大地限制了其在高温环境下的应用。相关研究^{［12，37］}发现，在NiTi合金中添加Zr、Cu、Nb、Ta、Hf等元素，可以实现组织、相变温度和临界滑移应力的调控，改善其高温性能。

1.2.2 Ti基形状记忆合金

Ti基形状记忆合金是近年来新兴起的形状记忆合金，形状记忆效应弱于NiTi合金，包括Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Mo、Ti-Zr、Ti-V-Al、Ti-Cr-Al、Ti-Cr-Sn等合金^［38-40］。其β→α〃相变符合Au-Cd型晶体学对应关系，马氏体变体间呈自协作形态^［41-42］，这类合金具有高的相变温度（>100 ℃），因此，作为轻质高温形状记忆合金，在太阳帆板、火箭喷嘴调节片、高温驱动件、骨科植入物和管道接头修复等领域应用前景广阔。但是该类合金其马氏体相变热循环稳定性较低，相变过程中会析出脆性ω相，使马氏体相变在热循环过程中出现偏移。研究发现^［43-49］，通过添加Co、B、Gd、Zr、Fe、Cu、Y、Zr等合金元素，可以显著改善力学性能、形状记忆效应和热循环稳定性。

1.2.3 Fe基形状记忆合金

Fe基形状记忆合金主要成分是Fe，与其他元素形成固溶体或间隙化合物。其中应用最多的是Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Al和Fe-Mn-Al-Ni^{［27，30，50］}合金。Fe-Mn-Si合金会发生γ（面心立方）→ε（密排六方）马氏体相变，具有较高的耐腐蚀性能，但由于层错能机制和相变的非热弹性导致其形状记忆效应和超弹性远低于NiTi合金； Fe-Ni-Co-Al和Fe-Mn-Al-Ni合金因析出与母相共格的纳米第二相，会诱发热弹性马氏体相变，从而获得大于5.0%的超弹性，但是二者的多晶界协调性和循环稳定性问题仍有待提高。Fe基形状记忆合金因成本低、加工性好、强度高等优点，在管道连接、形状记忆夹具、紧固件等方面有广阔的应用前景，将成为未来开发和应用的重要方向。

1.2.4 其他形状记忆合金

除了以上形状记忆合金外，还有NiMn基形状记忆合金，如Ni-Mn-Ga、Ni-Mn-Co等；Cu基形状记忆合金，如Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Mn等^{［28，51-52］}；Zr基形状记忆合金，如Zr-Cu、Zr-Nb等^［32］；Co基形状记忆合金，如Co-Ni-Al、Co-Ni-Si、Co-V-Si、Co-V-Ga等^［53-59］；以及后来发现的最轻形状记忆合金Mg-Sc等^［60］。随着研究不断深入，形状记忆合金体系将更加完善，未来应用将向大型化、复杂化发展，潜力巨大。

2 电弧增材制造技术

2.1 基本原理与分类

电弧增材制造（WAAM）是通过送丝系统将丝材连续输送到电弧区域，利用电弧等热源，将金属丝材熔化，通过数控系统按预先设定好的轨迹逐层进行堆积，冷却凝固后形成致密金属构件的成形过程。根据电弧热源类型，主要分为4种^［61-64］：基于熔化极气体保护焊（gas metal arc welding， GMAW）的WAAM、基于冷金属过渡（CMT）的WAAM、基于非熔化极气体保护焊（gas tungsten arc welding， GTAW）的WAAM以及等离子弧焊（plasma arc welding， PAW）的WAAM，原理如图2所示。近年来，为了改善WAAM结构件的组织和力学性能，研究人员提出了激光+电弧、双丝/多丝+电弧、高能超声/磁场辅助等一系列新型WAAM技术，如图3所示。

2.2 工艺特点与挑战

与其他增材制造技术相比，WAAM具有沉积效率高、设备和材料利用率高、无焊接飞溅、成形性能好等特点，适合制造形状复杂的大型金属结构件，在智能化、功能化、兼具优异综合性能且小批量快速成型方面具有绝对优势，应用前景广阔。但由于复杂热循环效应和快熔快冷的非平衡凝固特点，导致WAAM制造件中存在粗大柱状晶粒、气孔、裂纹、不均匀变形等缺陷，严重影响结构件的成形精度与力学性能。所以，如何消除或减少WAAM结构件中的缺陷、获得均匀致密的组织、提升后续加工精度是未来研究面临的挑战。

3 形状记忆合金WAAM研究现状

形状记忆合金由于具有优异的阻尼性能、超弹性、形状记忆效应及高比强度而广泛应用于航空航天、生物医学、汽车工业等领域^［65］。相关研究表明^［66-67］，通过优化WAAM工艺参数、在形状记忆合金中添加Al、V、Cu、Fe、Nb、La、Ce、Gd、Ta、Hf等元素进行微合金化、多场辅助以及适当后处理，可以实现微观组织、相变温度的调控，进而改善其功能特性和力学性能。

3.1 微观组织调控

3.1.1 晶粒细化与均匀化

WAAM因热源能量密度高、熔池尺寸相对较大、移动速度快以及逐层堆积等特点，沉积层晶粒组织较为复杂。在凝固过程中，由于沉积层底部与基体接触，热量从沉积焊缝流向基体，较大的温度梯度和冷却速率造成粗大的树枝晶在沉积层底部迅速生长；而沉积层中间的温度梯度和冷却速率逐渐减小，晶粒生长速度变慢，形成细小的树枝晶；沉积层顶部与空气接触，温度梯度和冷却速率最小，形成等轴晶组织，即出现凝固组织的分层特性，这种微观组织的不均匀性，严重影响沉积态样品的力学性能和功能特性。目前主要通过优化工艺参数、磁场辅助、微合金化及热处理等手段进行调控。Wang等^［68-69］采用GTAW-WAAM工艺制备了NiTi合金薄壁件，通过调整基板预热温度与焊枪电流，实现沉积层晶粒细化与调控。Ke等^［1］通过叠加超高频脉冲电流（ultra-high frequency pulsed，UHFP），实现了熔池振动与破碎，将NiTi合金凝固前沿粗大的柱状晶粒由79.0 μm细化为55.3 μm，组织中存在较强的（001）和（101）取向，是晶粒生长的最优方向，若控制不当，会引起性能的各向异性。Lu等^［70］使用电磁搅拌技术作为辅助手段，通过旋转电弧和洛伦兹力引起的强烈搅拌作用，使NiTi粗大柱状枝晶转变为细小均匀的非枝晶或球状晶组织。此外，沉积合金中添加适量稀土元素如La₂O₃^［71］、CeO₂^［72］、过渡元素Ta^［73］等，在晶界或晶粒内部形成第二相颗粒，阻碍晶界移动或提供非均匀形核位置，促进沉积合金组织由粗大的柱状晶向细小的等轴晶转变，晶粒显著细化，如图4（a），（b）所示。Chen等^［74］采用D-WAAM制备了NiTiCu合金单臂构件，并在不同温度进行时效处理。结果发现，各试样晶粒为粗大的柱状晶，但有向等轴晶转变趋势，如图4（c）所示。

晶粒细化与均匀化调控是一个综合运用热力学驱动力和动力学控制的过程，核心在于最大化形核率与最小化长大速率的比值。根据材料体系和目标性能，可通过凝固控制（增大ΔT（过冷度）、增加形核剂）和固态相变调控（增加形核位置）抑制晶粒长大、热变形或再结晶（利用储能）实现粒子钉扎、强烈塑性变形（引入缺陷密度）以及应力场、磁场对粗大晶粒的振动破碎作用等多种途径及其组合来实现。

3.1.2 析出相

WAAM成形过程是一个反复加热-冷却的复杂热循环过程，合金元素或溶质原子不断地重熔与再分配，以沉淀相的形式在晶界或晶粒内部析出，形成沉淀强化或晶界强化，改善形状记忆合金的性能。Zhang等^［75］通过WAAM制备了富Ni和富Ti的NiTi合金及复合NiTi合金（富Ni NiTi与富Ti NiTi合金交替沉积而成），富Ti合金中含有大量微米级NiTi₂沉淀物，呈簇状分布；富Ni合金中的NiTi₂沉淀物较少，由簇状变为链状，出现了大尺寸的Ti（C，O）黑色沉淀，靠近基体处还存在Ni₄Ti₃相，呈透镜状，尺寸约为1.5 μm，局部区域分布有位错；复合NiTi合金的富Ni区Ni₄Ti₃相尺寸仅为50.0 nm，富Ti区存在大量中心分布的NiTi₂沉淀相。陈新亚^［76］采用M-WAAM制备了NiTi与NiTiCu合金，结果发现Ni53.0Ti47.0（原子分数，下同）合金中析出了针状Ni₄Ti₃、Ni₃Ti及球状Ni₃Ti₂沉淀相，Ni₃Ti相和基体存在（020）{}_{\mathrm{N}{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}\mathrm{T}\mathrm{i}}∥（111）_NiTi和［100］{}_{\mathrm{N}{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}\mathrm{T}\mathrm{i}}∥［011］_NiTi取向关系，而Ni₃Ti₂相与基体之间存在（111）{}_{\mathrm{N}{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}\mathrm{T}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}}∥（111）_NiTi和［011］{}_{\mathrm{N}{\mathrm{i}}_{\mathrm{3}}\mathrm{T}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}}∥［011］_NiTi取向关系，球状Ni₃Ti₂周边存在位错与层错；Ni50.8Ti49.2合金中析出的细小块状NiTi₂相与基体存在（220）{}_{\mathrm{N}\mathrm{i}\mathrm{T}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}}∥（011）_NiTi的位向关系，NiTi₂周边存在位错缠结和位错网络；添加Cu元素后，Cu原子取代部分Ni原子，在基体边缘析出了大量细小针状（Cu，Ni）₂Ti与（Cu，Ni）Ti₂相。Zhao等^［77］研究发现，随沉积层数增加，D-WAAM Ti-Ni-Al-V试样中的NiTi₂相含量减少，Al、V主要固溶在基体中，起到固溶强化作用，顶部出现了与基体呈共格关系的纳米级针状Ni₄Ti₃沉淀相，但随Ni₄Ti₃相尺寸粗化，这种共格关系逐渐消失。Zuo等^［78］在WAAM NiTiTa合金晶界上观察到了尺寸约为100.0 nm的椭球状或球状的（TiTa）₂Ni析出相，与基体界面清晰，周围存在阶梯状马氏体；由于Ta原子替代了部分Ti原子，抑制了部分马氏体相变，使得沉淀物周围存在残留奥氏体（B2），如图5所示。Tian等^［79］在CMT-WAAM Ni-Ti-Cr-Mo-Nb合金中发现，在试样上部区域，Ti₂Ni析出相以纳米颗粒形式镶嵌在Cr₂Ti相中，形成平行、交替生长的条带状结构，相邻条带间距约为0.5 μm，均匀分布在基体中。

WAAM特有的快速凝固与复杂热循环既带来了析出相控制的挑战（如非均匀性、脆性），也提供了独特的调控机遇（如原位形成细小弥散强化相）。通过工艺参数优化、成分设计和微合金化，一方面可以抑制脆性相（如NiTi₂）的形成，促进细小沉淀相在晶界或晶粒内部析出，通过钉扎晶界、提供形核位置，促进晶粒细化与阻碍位错的运动，形成弥散强化与细晶强化；另一方面，一些沉淀相与基体保持高度的一致性，可以有效增强基体，这两方面的协同作用强化了合金，提高了材料的性能^［80-83］。

3.1.3 马氏体相变与滞后特性

WAAM形状记忆合金在应力诱导或温度变化条件下同样会发生奥氏体与马氏体的可逆相变，且存在一定的滞后现象。在NiTi合金中，Ni元素含量显著影响其马氏体相变，原子分数每增加0.1%，M_s点下降10 ℃左右。Resnina等^［84］采用GMAW-WAAM沉积了五层Ti-Ni单壁结构，研究了各层Ni含量分布对马氏体相变温度的影响。由于各沉积层Ni、Ti含量的差异以及第二相粒子的形成，导致各沉积层马氏体相变温度不同，正相变的起始温度M_s从第一层的73.0 ℃降到第五层的-16.0 ℃，逆相变起始温度A_s从第一层的70.0 ℃降到第五层的-69.0 ℃，各层均发生了一步式立方奥氏体（B2）↔单斜马氏体（B19´）相变。Yu等^［85］采用CMT-WAAM制备了五层NiTi合金，每层合金的相变过程与Resnina研究结果相似，马氏体呈现微片状，为典型的脱孪结构，马氏体相变M_s点均低于NiTi丝材。Xiang等^［86］通过调控Ni/Ti原子比，制备WAAM NiTi合金薄壁件，Ni/Ti原子比为1∶1时，马氏体相变可产生两种不同取向的孪晶马氏体；Ni/Ti原子比为1.6∶1时，产生了板条马氏体。陈新亚^［76］采用M-WAAM制备了不同Cu含量的NiTiCu合金，均发生了立方奥氏体（B2）↔单斜马氏体（B19´）的相变，其中Ti50.0Ni35.0Cu15.0合金中形成了（011）化合物和（111） Ⅰ型单对复合孪晶马氏体，细小的（Cu，Ni）₂Ti析出相可以被孪生剪切力切割穿过，在一定程度上阻碍孪晶界的运动，影响了马氏体板条的生长。张启蒙^［87］研究发现，WAAM Ti-V-Al合金的相组成会随V含量的升高产生明显变化，会由α´马氏体+α″马氏体+少量β相向少量α″马氏体+大量β相转变，α´和α″相逐渐减少，甚至消失，β相含量不断升高，晶粒逐渐粗化；WAAM Ti-14.7V-9.8Al合金存在两种粗细不同的板条状α″马氏体，呈自协作形态，均存在｛111｝Ⅰ型孪晶关系和〈211〉Ⅱ型孪晶关系。Chen等^{［74，88］}添加Cu后，提高了D-WAAM NiTiCu合金的相变温度，相变滞后区间变窄，由24.4 ℃变为7.1 ℃，但是添加过量的Cu会形成脆性金属间化物，恶化力学性能，所以应合理控制Cu的添加量；随后该团队发现，在不同温度下时效，马氏体相变同样存在滞后现象，450 ℃时效时，相变滞后温度最窄，为11.7 ℃，之后随时效温度升高，相变滞后温度区间变宽，如图6所示。许博^［89］采用D-WAAM+Nb元素原位合金化制备了Ni47.0Ti44.0Nb9.0合金，结果发现，Nb元素的添加降低了M_s点，相变温度滞后从-6.4 ℃提升至40.9 ℃。

形状记忆合金的马氏体相变具有热力学可逆性，过程中伴随着晶体结构的改变和能量的交换。在马氏体正向变过程中，发生马氏体变体的再取向或去孪晶化；在逆相变过程中，不同取向马氏体重新回到具有同一个原始取向的奥氏体。由于相变过程的能量耗散（界面摩擦、缺陷相互作用）和正逆相变路径的固有不对称性，导致相变存在滞后现象（ΔT=A_s-M_s）。由以上研究可知，WAAM凝固组织的不均匀性、合金成分、微合金化、析出相（第二相粒子），以及热处理对马氏体相变和滞后特性具有重要影响。今后应通过成分-组织-工艺-外场等协同调控，提高组织均匀性和优化WAAM工艺参数、研究多因素交互机制（如析出相-位错协同效应）及跨尺度建模，以实现马氏体相变、析出相的合理调控和宏观滞后的精准预测，改善材料在实际应用中的多功能特性，从而适应不同领域的响应速度需求。

3.1.4 内部缺陷抑制

由于WAAM过程的复杂热循环特性，会造成成形合金内部产生气孔/孔洞、残余应力、裂纹及成分偏析等缺陷，严重影响合金的性能与功能特性，近年来引起学者们的广泛关注。Biffi等^［90］采用微激光线弧能量沉积技术制备了高长宽比和亚毫米厚度的NiTi合金壁面，壁面无裂纹，相对密度高达99.0%；对出现的孔洞缺陷拟合了等效直径，使用球形度参数评估了孔洞与完美球体的偏离程度，结果发现，缺陷尺寸范围在50.0~200.0 μm，随缺陷尺寸的减小，缺陷球度从60.0%增加到80.0%。说明该工艺在制备NiTi合金方面具有一定的技术优势。为了减少变形和残余应力，Xiang等^［86］通过控制送丝速度，制备了不同Ni/Ti原子比的WAAM NiTi合金薄壁件，结合实验和有限元数值模拟对NiTi合金WAAM过程的变形和应力场进行了分析。结果表明，由于热积累，导致沉积层与基体之间的界面处产生高度应力集中，随Ni/Ti原子比增加，基底变形以及沉积层内部和两侧的残余应力增加，正下方区域的残余应力减小；Ni/Ti原子比为0.8∶1时，沉积层与基底间应力最小，且在Ni/Ti原子比为1∶1时，NiTi合金层间应力差最小，这两种情况下可有效降低开裂风险；变形主要集中在沉积层中心，以及少量边缘变形区，垂直于基板方向的变形呈对称分布；Ni/Ti原子比由0.8∶1增大到1.6∶1时，垂直于基板的变形量由1.4 mm增大到1.6 mm，变形加剧。可见，Ni/Ti原子比对残余应力和不均匀变形有重要影响。Zhang等^［91］对CMT-WAAM沉积的NiTi合金在200 ℃退火3 h，成功将合金内部的残余应力由-400.0~200.0 MPa降为-20.0~50.0 MPa。Koley等^［92］根据Schiel Gulliver模型模拟偏析轮廓和凝固路径，使用不同的凝固开裂理论计算了Fe-17.0Mn-5.0Si-10.0Cr-4.0Ni-0.5V-0.5C（质量分数/%）沉积合金薄壁件在不同位置和不同工艺条件下的开裂倾向。结果发现，在非平衡凝固下，Ni、Mn、Si被排挤到液相中，导致严重的元素偏析，产生芯状结构产物，凝固40.0%~60.0%时，热裂敏感性显著升高，并达到最大值，开裂倾向加剧。

WAAM是一个局部快速熔化-凝固-重新再熔化的复杂热循环过程。在熔化过程中，一些无法完全去除的水分、油脂和其他杂质、污染物很容易吸收到熔池中并在凝固后产生气孔；当路径规划不当或沉积过程不稳定时，会产生熔化不足或者飞溅，形成间隙或孔洞。气孔或孔洞的存在会造成应力集中，成为裂纹源；WAAM过程高能量输入、高沉积速率和大的温度梯度会造成熔池边缘以及内部晶界处产生应力集中，发生不均匀塑性变形，形成具有累积效应的残余应力，而熔池边缘和晶界处往往分布有脆性金属间化合物，在应力作用下容易产生脆性断裂，形成裂纹；相邻堆积层之间的未熔合，在应力作用下也会出现层间分离和层间开裂。在非平衡凝固下，某些合金元素被排挤到液相中，导致严重的元素偏析，造成热裂倾向。这些缺陷的存在，严重降低增材件的性能。可以看出，填充丝与基材的洁净度、沉积层数、合金成分、热输入等因素对WAAM形状记忆合金内部缺陷的形成有重要影响，应严格控制。未来应采用多元化研究方法，如沉积路径规划、基板预热、脉冲电流+氩-氦混合气体保护、丝材制备与优化、熔池过程监控与调整、数值模拟辅助以及后处理工艺创新等多尺度协同策略，以实现微观组织调控、降低合金内部缺陷的目的。

3.2 超弹性与形状记忆效应

形状记忆合金的超弹性与形状记忆效应都是通过马氏体相变实现的，但是触发机制不同，超弹性的触发机制为应力诱导，而形状记忆效应则是温度变化。二者受合金成分、微观结构与缺陷、相变与环境温度、加载条件、热处理以及WAAM工艺等因素的影响。Zeng等^［93］采用WAAM沉积了富Ni的NiTi形状记忆合金，拉伸过程首先发生奥氏体弹性变形，在350 MPa时发生应力诱导马氏体相变，随后马氏体孪晶解体、发生塑性变形，在约为17.0%的应变处产生断裂，在室温拉伸过程中展现出超弹性。Khismatullin等^［94］分别研究了WAAM沉积NiTi合金在室温下弯曲变形-卸载后的超弹性以及沉积态和时效态合金在液氮中（-196 ℃）弯曲变形后加热过程的形状记忆效应。结果发现，当初始应变为5.8%时，沉积态合金顶部区域和中间区域表现出优异的超弹性，形状恢复率分别为92%和95%；当初始应变为4.0%~5.0%时，沉积态和时效态合金的形状恢复率均达100%，表现出优异的形状记忆效应。Zhang等^［91］对CMT-WAAM制备的NiTi合金试样进行退火处理，研究了不同状态下合金的超弹性，结果发现，经过15次加载/卸载循环实验，在1.6%的应变下释放残余应力后，合金超弹性（形状恢复率）由自由态的69.8%提升到退火态的95.7%；在2.5%的应变下释放残余应力后，合金超弹性（形状恢复率）从自由态的63.1%提升到退火态的73.7%。说明残余应力影响合金的相变行为，退火有助于应力释放，可显著提升NiTi合金的超弹性。为了评估Fe基记忆合金的超弹性，Felice等^［95］对WAAM制备的Fe-17.0Mn-5.0Si-10.0Cr-4.0Ni-1.0（V，C）（质量分数/%）合金进行100次循环加载/卸载测试，第二个循环后，合金具有0.6%至0.7%的不可逆应变，从第五个循环开始，所有循环都显示出类似的行为，说明合金具有良好的循环稳定性。Xu等^［96］比较了WAAM制备的Cu-12.5Al-3.0Mn（质量分数/%）和Cu-12.5Al-3.0Mn-1.0Ni（质量分数/%）两种合金的形状恢复率、可恢复应变与记忆恢复行为。结果发现，Cu-12.5Al-3.0Mn合金的形状恢复率从4.0%预应力的91.2%下降到10.0%预应力的62.4%，其极限可恢复应变约为7.0%；而Cu-12.5Al-3.0Mn-1.0Ni合金的形状恢复率在4.0%~8.0%预应力时为100%，并在预应力增加到10.0%之前仍保持为96.6%，即可恢复应变超过9.0%；另外，弯曲预应变为8.0%的Cu-12.5Al-3.0Mn-1.0Ni合金在酒精灯加热不到2 s便开始形状恢复，5 s后便完全变平恢复，明显快于Cu-12.5Al-3.0Mn合金，如图7（a），（b）所示。说明添加Ni后，显著提升了Cu-Al-Mn合金的超弹性和形状记忆效应。张启蒙^［87］将WAAM制备的Ti-14.7V-9.8Al合金和其他典型高温形状记忆合金的比强度和最大可恢复应变进行了对比，如图7（c）所示。可以看出，WAAM Ti-14.7V-9.8Al合金的完全可恢复应变优于Ti-Ta、Ti-Nb合金且仅次于NiMnGa合金，形状记忆效应明显优于传统熔炼法制备的固溶态Ti-V-Al合金，综合性能优异，具有较高的比强度和可恢复应变。

超弹性和形状记忆效应是形状记忆合金的两个核心功能特性。当奥氏体受到应力作用或降温至马氏体转变点M_s以下时，会转变为马氏体，这种转变伴随着晶体结构的改变和相应的形状变化。应力卸载后或升温至奥氏体转变开始温度A_s以上时，马氏体可以恢复到奥氏体，从而使材料恢复其原始形状。可见，WAAM形状记忆合金在一定条件下，具有较高的可恢复应变和形状恢复率，呈现出优异的超弹性与形状记忆效应，为形状记忆合金的大尺寸、低成本制造提供了可能。但其超弹性和形状记忆效应的稳定性仍受工艺缺陷和微观组织非均匀性的限制。未来应从降低热输入（如施加高频脉冲电弧）、增加层间冷却时间、后处理工艺优化、丝材成分补偿、各向异性调控、新型合金设计及复合增材工艺（搅拌摩擦、冷喷涂、层间轧制）等方面加大研究力度。

3.3 力学性能

高强高韧材料的开发对于未来工程技术领域的发展具有深远意义，而形状记忆合金作为一种特殊的功能材料，其力学性能的优化与提升受到广大学者的极大关注。Huang等^［97］采用D-WAAM工艺制备的Ni49.0Ti51.0合金，极限抗压强度和断裂应变分别可达2241.3 MPa和31.7%。Chen等^［98］研究了WAAM NiTi合金在750~900 ℃、应变速率为0.1×10^-1~5.0 s^-1的热变形行为。结果表明，合金流动应力随应变速率增加而增加，随变形温度升高而减小，计算值与实验值吻合良好，随变形程度的增加，流动不稳定区域扩大，合金的最佳加工窗口为800~900 ℃、应变速率为0.1×10^-1~0.5×10^-1 s^-1。Zhang等^［99］测试了D-WAAM工艺制备的Ti-3.0Al-2.0V（质量分数/%）壁面构件的拉伸性能，水平与垂直方向的平均极限抗拉强度分别为634.0 MPa和648.0 MPa，平均伸长率分别为7.0%和5.1%，拉伸断口为韧性和脆性的混合组织。近年来各系列形状记忆合金的力学性能总结如表1所示^{［40，73-74，77，79，87-89，95，100-102］}。由表1可知，虽然WAAM形状记忆合金在力学性能提升上取得了一定的研究进展，但是WAAM凝固组织的分层特性与不均匀性引起的性能各向异性仍然存在。

在拉伸过程中，一方面，由于弹性变形和塑性变形，造成晶界处变形不协调，出现应力集中以保持晶粒的连续性；另一方面，晶界的存在使滑移位错难以直接穿过晶界，破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错运动。由于不同区域和方向上所含等轴晶粒数量不同，等轴晶粒多的区域和方向包含有更多的晶界，使得位错在更多的晶粒中移动，从而产生更均匀的塑性变形，造成该区域和方向伸长率较高。根据Hall-Petch理论，当晶粒尺寸减小时，晶界面积增大，晶界对位错的阻碍作用增强，变形抗力增加，强度升高，晶粒细小的区域和方向力学性能更高。这种性能的各向异性，严重制约着WAAM形状记忆合金在高强高韧工程领域的应用。未来应从微观组织调控、工艺路径优化（交替沉积方向）、后处理技术开发等方面加大研究力度，提升组织均匀性和细化晶粒，获得细小等轴晶组织，以消除各向异性，这将是未来增材制造技术的一大挑战。

3.4 耐磨损性能

合金的摩擦学性能不仅取决于硬度和延展性，还取决于摩擦测试系统、加工硬化、裂纹萌生和扩展阻力以及材料缺陷等因素。所以优化WAAM工艺、减少组织缺陷、提高合金表面硬度，是改善耐磨性能的关键。Liu等^［103］基于CMT-WAAM技术，制备了墙形NiTi合金组件，并优化了沉积速度，深入研究了沿沉积方向试样的磨损性能。结果发现，塑性变形和磨损引起的加工硬化是磨损的主要形式，顶部摩擦因数最小，硬度最大，显示出较高的耐磨性；而中部摩擦因数波动稳定，表面两侧有材料堆积，无明显切削，具有稳定的摩擦行为。表明该技术在制造新型镍钛柔性结构上具有技术优势。Teng等^［104］通过优化热输入，研究了WAAM制备的均质NiTi合金结构件沿不同沉积高度的磨损性能，结果与Liu类似，合金显示出优异的耐磨性能，摩擦因数随沉积高度的增加，由0.8降到0.7，上中下区域的划痕两侧均有材料堆积，磨损形态以沟槽为主，伴有剥落和黏附，只有上部区域出现少量氧化，氧化磨损和黏着磨损为主要磨损机制。可以看出，目前对于WAAM制备形状记忆合金的抗磨损研究仅停留在工艺参数的调整上，未见有深入的研究报道，未来可以开展磨损机理的多尺度研究，如微观相变与磨损关联性、高低载荷下超弹性的抗磨损机制、高温或腐蚀介质中的磨损-腐蚀耦合机制、热-力-电多物理场耦合的磨损模拟和预测以及探索形状记忆效应对磨损表面的自适应、自修复设计与内在机理等。

3.5 耐腐蚀性能

在WAAM制备形状记忆合金领域，耐蚀性是材料耐久性与功能化应用的一个关键问题，而原位合金化可以促进合金表面钝化膜的形成，提高合金的耐腐蚀性能。左新德等^［73］发现，添加Ta后，WAAM制备NiTiTa合金的腐蚀电位从-0.6V增加到-0.4V，腐蚀电流密度从1.9×10^-6 A/cm²下降到4.2×10^-7 A/cm²，具有更高的自腐蚀电位和更小的腐蚀电流密度，NiTiTa表面形成了致密的TiO₂-Ta₂O₅钝化膜，耐腐蚀性能显著提升。赵婧^［40］发现，添加Zr后，WAAM制备Ti-V-Al-Zr合金的电容环半径和低频率电阻在Zr含量为4.0%时最大，合金膜电极表面形成的钝化膜具有最强的保护能力。Zr元素的添加进一步改善了Ti-V-Al合金的热循环稳定性。当前对于WAAM制备形状记忆合金的耐腐蚀性能研究仍处于起步阶段，未来可以结合机器学习，筛选抗腐蚀合金成分并优化WAAM工艺参数，开展WAAM形状记忆合金的多尺度腐蚀机理研究，利用形状记忆效应探索合金腐蚀自修复可能性等。

4 结束语

通过WAAM工艺参数调控、微合金化、稀土改性、引入第二相及后续热处理等技术手段可以显著改善沉积合金的组织和相组成，进而引发位错强化、细晶强化、沉淀强化等综合强化效应，提升沉积合金的综合力学性能。WAAM作为一种新型的材料成形技术，为形状记忆合金的高效、低成本制造提供了新途径。但需要通过材料-工艺-组织-性能协同调控来改善工艺缺陷和微观组织非均匀性，突破力学性能、超弹性和形状记忆效应的稳定性瓶颈。未来发展方向将聚焦于智能化、复合化及跨尺度精准调控技术的深度融合，研究方向如图8所示。

（1）WAAM制备形状记忆合金在成形过程监控与模型建立方面不够深入，今后应采用多元化研究方法，从材料-工艺-组织-性能多维度协同，基于机器学习算法和人工智能实时监控熔池过程、数值模拟辅助，建立材料-工艺-组织-性能映射模型。

（2）WAAM制备形状记忆合金在微观组织调控方面，今后可以采用拓扑优化、多向扫描、脉冲电流+氩-氦混合气体保护等多种手段，细化晶粒，打破晶粒取向偏好；结合微合金化与梯度设计、多材料复合沉积技术与多场协同辅助技术实现组织均匀化；通过热等静压和热处理消除气孔/孔洞、残余应力、裂纹等缺陷；最终消除组织和性能的各向异性，优化综合性能。

（3）WAAM制备形状记忆合金的抗磨损与耐腐蚀性研究不够深入，未来可以开展磨损与腐蚀机理的多尺度研究，如建立微观组织、相变与磨损-腐蚀关联性，揭示晶界、析出相与磨损-腐蚀的优先路径关系、高低载荷与高温或腐蚀环境中超弹性的抗磨损-耐腐蚀耦合机制；基于机器学习法建立热-力-电多物理场耦合的磨损-腐蚀预测模型，预测残余应力与磨损-腐蚀介质交互作用下的失效风险；探索超弹性与形状记忆效应对磨损-腐蚀表面的自适应、自修复可能性以及在航空航天、深海装备、核反应堆冷却系统等极端环境中的应用潜力等。

（4）目前WAAM成形形状记忆合金尚处于起步阶段，研究报道较少，仅集中在少数NiTi基、Ti基、Fe基、Cu基形状记忆合金上，今后应拓展WAAM多元化应用体系，结合成分设计与微合金化，开发新型形状记忆合金，推动形状记忆合金在更多领域深度发展。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金(2025LHMS05046)