Although the simulation results had demonstrated that the strain field introduced by Ni4Ti3 nano-precipitates in NiTi shape memory alloys (SMAs) was related with their superelasticity inherently, the corresponding experimental result was rarely documented heretofore, especially in additive manufactured NiTi SMAs. In this work, we tailor the morphologies and resultant strain field of Ni4Ti3 nano-precipitates by heat treatment of a NiTi SMA subjected to laser powder bed fusion (LPBF), and further authenticate relationship between the superelasticity and the strain field in the LPBF NiTi samples. When holding times were 1 h, 3 h, and 5 h at aging temperature of 350 °C after solution treatment, the Ni4Ti3 nano-precipitates in the LPBF NiTi samples exhibit spherical, ellipsoidal, and lenticular morphologies, respectively. Accordingly, the strain field around Ni4Ti3 nano-precipitates in B2 matrix decrease from 0.15 % to 0.13 % and 0.10 %, respectively. The LPBF and aged NiTi samples present large superelasticity, which exceeds 6 % recovery strain together with high recovery rate of ˃99 % during 10-times cyclic compression loading. Interestingly, the LPBF and aged sample with the spherical Ni4Ti3 and highest strain field displays the worst superelasticity stability, while the one with the lenticular Ni4Ti3 and smallest strain field exhibits the relatively stable and biggest superelasticity of 6.36 %. Basically, this is attributed to different mechanisms between the Ni4Ti3 nano-precipitates and dislocations generated during cyclic loading, which is induced by different interfaces between the Ni4Ti3 and B2 matrix in the three types of the NiTi samples. For the sample with the highest strain field, its spherical Ni4Ti3 was cut through by generated dislocations due to coherent interface between the spherical Ni4Ti3 and B2 matrix. In contrast, the one with the smallest strain field, its lenticular Ni4Ti3 can impede effectively generated dislocations because of semi-coherent or non-coherent interface between the lenticular Ni4Ti3 and B2 matrix. Therefore, these results can provide meaningful insights into tailoring the nano-precipitates and thereby obtaining excellent superelasticity of NiTi SMAs by LPBF.

The phase transformation from martensitic twins to austenite phase in NiTi shape memory alloys (SMAs) determines their shape memory effect (SME). However, systematic studies are indeed needed to reveal which martensitic twin type is effective in enhancing the SME for NiTi SMAs due to the diversity of martensitic twins. In this work, based on laser powder bed fusion (LPBF) NiTi SMAs, an excellent strength-ductility combination of 900.5 MPa and 13.9% was obtained by utilising a low laser power (70 W) and scanning speed (200 mm/s), which represents one of the highest values attainable among current LPBF NiTi SMAs. Furthermore, based on transmission kikuchi diffraction, it is found that high-density {111¯} I-type martensitic twins enhanced the SME of LPBF NiTi SMAs significantly, and the maximum SME recovery ratio is 95.8% after 10 cycles at controlled strain (6%) cyclic tensile loading-unloading. Conversely, the formation of {1¯11} I-type martensitic twins in the matrix weakened the SME of LPBF NiTi SMAs remarkably and lost SME after 10 cycles at controlled strain (6%) cyclic tensile loading-unloading. This research offers some valuable insights into the relationship between martensitic twin and SME for LPBF NiTi SMAs and paves the new way for modulation of microstructure to enhance mechanical properties and SME for NiTi SMAs via LPBF.